Characteristics of Tip Clearance Flow Instability in a Transonic Compressor

Abstract

In the present study, unsteady flow phenomena due to tip clearance flow instability in a modern transonic axial compressor rotor are studied in detail. First, unsteady flow characteristics due the oscillating tip clearance vortex measured with the particle image velocimetry (PIV) and casing-mounted unsteady pressure transducers are analyzed and compared to numerical results with a large eddy simulation (LES). Then, measured characteristic frequencies of the unsteady flow near stall operation are investigated. The overall purpose of the study is to advance the current understanding of the unsteady flow field near the blade tip in an axial transonic compressor rotor near the stall operating condition. Flow interaction between the tip leakage vortex and the passage shock is inherently unsteady in a transonic compressor. The currently applied PIV measurements indicate that the flow near the tip region is unsteady even at the design condition. This self-induced unsteadiness increases significantly as the compressor operates toward the stall condition. PIV data show that the tip clearance vortex oscillates substantially near stall. The calculated unsteady characteristics from LES agree well with the PIV measurements. Calculated unsteady flow fields show that the formation of the tip clearance vortex is intermittent and the concept of vortex breakdown from steady flow analysis does not seem to apply in the current flow field. Fluid with low momentum near the pressure side of the blade close to the leading edge periodically spills over into the adjacent blade passage. The spectral analysis of measured end wall and blade surface pressure shows that there are two dominant frequencies near stall. One frequency is about 40–60% of the rotor rotation and the other dominant frequency is about 40–60% of the blade passing frequency (BPF). The first frequency represents the movement of a large blockage over several consecutive blade passages against the rotor rotation. The second frequency represents traditional tip flow instability, which has been widely observed in subsonic compressors. The LES simulations show that the second frequency is due to movement of the instability vortex.

Toward Optimum Configuration of Circumferential Groove Casing Treatment in Transonic Compressor Rotors

“…Large Eddy Simulation (LES) was applied to represent tip vortex oscillation and vortex/passage-shock interaction more realistically. Details of the applied LES procedure are given by Hah et al [2010]. 40 computational nodes are used in radial direction to describe the grooves.…”

The identification of compressors’ pre-surge effects for use in an adaptive gas-turbine engine control system

“…Проблема идентификации предсрывных явле-ний не нова, но решение ее до сих пор ограничивалось исследованием признака срыва в дозвуковых или трансзвуковых ступенях компрессо-ра [4][5][6][7][8][9][10][11][12][13]. Редко встречаются публикации и об особенностях пред-срывных явлений в многоступенчатых компрессорах [12].…”

“…На сегодня наиболее известным признаком предсрывных явлений принято считать нарастание амплитуды пульсаций давления над рабо-чим колесом на частоте f = 0,6 · n · z, где n -частота вращения ротора компрессора («роторная частота»), а z -число лопаток в рабочем коле-се (очевидно, что f = n · z -«лопаточная частота») [4]. Физически эта фундаментальная частота, характеризующая начало предсрывных яв-лений, определяется кинематикой течения в радиальном зазоре рабоче-го колеса и зависит от нагрузки на профиль лопатки (разности давле-ния на корыте и спинке).…”

“…Существует достаточно простая методика [4,5] определения тра-ектории вихревой пелены при условии известного распределения дав-ления по профилю концевого сечения лопатки компрессора (например, из двумерного расчета течения). Поскольку компрессоры имеют близ-кие параметры по нагрузке, скоростям и т.п., этот критерий -появле-ние пика пульсаций давления на частоте f = 0,6 · n · z -является достаточно общим признаком начинающегося срыва для до-звуковых и в ряде случаев для трансзвуковых компрессоров.…”

“…Достаточно отме-тить, что уровень пульсаций давления на «роторной» частоте при нор-мальной работе и при приближении к срыву увеличивается в два раза. И здесь мы наблюдаем принципиальное различие в структурах пульсаций сверхзвуковой ступени нашего многоступенчатого ком-прессора и опубликованных данных [4][5][6][7][8][9][10][11][12][13] о поведении дозвуковых и трансзвуковых компрессоров при приближении к границе срыва. Как уже отмечалось, в последних признаком приближения к срыву являет-ся нарастание пульсаций при частоте около 60 % «лопаточной» часто-ты с последующим переходом максимума пульсаций в область частот, равных примерно 50 % «роторной» частоты, т.е.…”