Effektivare lågtryckskompressor - med flera användningsområden

Transkript

1 Effektivare lågtryckskompressor - med flera användningsområden Karl-David Pettersson & Torbjörn Salomonson The information contained in this document is Volvo Aero Corporation Proprietary Information and it shall not either in its original or in any modified form, in whole or in part be reproduced, disclosed to a third party, or used for any purpose other than that for which it is supplied, without the written consent of Volvo Aero Corporation. Any infringement of these conditions will be liable to legal action.

2 Slide 2

3 Lågtryckkompressor: militär civil synergi Lågtryckskompressorer är ett exempel på dual-use inom Volvo Aero: Fläkten till en militär motor Intermediate pressure compressor till en 3-axlig civil motor (ger högre varvtal) Boostern till en civil motor med växlad fläkt (ger högre varvtal) Militär 3-axlig civil motor Civil motor med växlad fläkt Slide 3

4 Lågtryckskompressor, LPC, vad är det för Volvo Aero? Transonisk axialkompressor med lågt inloppstryck: supersonisk bladtopphastighet Ökar trycket 4-6 ggr för hela gasflödet i en militär jetmotor Ökar trycket 2-8 ggr för kärnflödet i en civil motor Består av omväxlande fasta och roterande skovelgitter som höjer gasen tryck Ett samhörande roterande och fast skovelgitter kallas ett steg Bladtopphastighet Slide 4

5 Teknologiutveckling Power Density (MW/m3) 120 Power Density development Vst 100 Power Density = Power reqd / Stage envelope volume (Vst) HULDA 1 stg Research 80 RM12 1'st stg Blenda 1'st stg Research 60 RM8A 1'st stg 40 RM6C 1'st stg Year Slide 5

6 Lågtryckskompressor Krav: Teknisk utmaning: Lösningar: Låg vikt Reducera antalet steg Avancerad aerodynamik Hög prestanda Färre, lättare komponenter Bliskar Låg kostnad Lägre förluster Multidisciplinär optimering Lång livslängd Slide 6

7 Avancerad aerodynamik Högt belastade blad Mer arbete per steg Framåtsvepning Hantera stötförluster Ger: Färre antal steg för givet tryckförhållande Lägre förluster Slide 7

8 Bliskar (Bladed disks) Bladen integrerade i skivan Eliminerar infästning Färre antal detaljer Maskinbearbetning Robust känd metod Ger: Lägre vikt Tillförlitlighet Lägre kostnad Bättre strömningskanal Slide 8

9 Multidisciplinär bladoptimering Aerodynamik och mekanik Robusthet Flera operationspunkter Ger: Funktionsmarginal Prestanda Balanserad design Kortare utvecklingstid Start Start geometry & geometry boundary & boundary conditions conditions Boundary Boundary conditions Stage conditions stacking Stage stacking Yes Yes 3D? 3D? Thermodynamic Thermodynamic Layout Layout No No Multipoint Multipoint boundary boundary condition condition Axial chord update No Axial Flow path chord update update Flow Boundary path update condition update Boundary condition update Matlab optimization platform 3D optimization Geometry generation generation 2D optimization 2D optimization Geometry generation Geometry generation Optimized 2D profiles Optimized 2D profiles No SC90C update SC90C? update? Yes Yes Throughflow data / SC90C Throughflow data / SC90C Grid Grid generation & & 3D 3D CFD CFD Grid generation & Grid generation & Stress + Modal Stress + Modal analyses analyses Grid generation + quasi Grid 3D generation CFD + quasi 3D CFD Stage analysis & performance Stage analysis eval & (CFD) performance eval (CFD) Optimized 3D geometry Optimized 3D geometry Slide 9

10 Utprovning av lösningar Provkompressorer provas på STARCS i Bromma 4+ MW elmotor Top of the line mätoch övervakningssystem Slide 10

11 Provade lågtryckskompressorer Hulda stegs kompressor FoT Flygteknik Blenda 3-stegs kompressor Tidigare VITAL HS Booster Delskala, 400 mm Modulär testkompressor Aluminium Blisk Prov 2006, 2007, 2009 och rpm Tryckförhållande 2.00 Verkningsgrad (poly): 83% Bladtopphastighet: 462 m/s Delskala, 400 mm Nedskalad high speed LPC Titan Bliskar Prov 2008 och rpm Tryckförhållande 4.6 Verkningsgrad (poly): 85% Bladtopphastighet: 516 m/s Slide 11

12 Pressure ratio Blenda kompressordiagram 6 5,5 5 Predikterade funktionsgränser 4, % 100% 3,5 90% 3 2,5 2 1,5 60% 70% 80% Test Target m dot pol tot Slide Normalised airflow (kg/s)

13 Pressure ratio Hulda kompressordiagram 2.1 Predikterade funktionsgränser % 100% % Test Target m dot % 85% pol tot % % Utprovat område Ej provat område (Provas 2010) Corrected mass flow (kg/s) Resonansområde (lagerkonsol) Slide 13

14 Slide 14

15 Exempel på övervakningsskärm vid prov Slide 15

16 Amplitud P-P Exempel på mätningar: bladvibrationer Bladresonans 1T 8E Varvtal Slide 17 Utböjning per blad Egenfrekvens per blad

17 Exempel på mätningar: Resonanser hos Blenda bliskar Vibrationsmätningar Metalltemperatur Töjningsmätningar Slide 18

18 Radius (m) Exempel på användning av mätdata Jämförelse CFD (sträckat) mätdata (heldraget) 0.2 BLENDA, VITAL and CFD calculated Pt-profiles at design op-line, 96% normalized speed, nominal VG schedule and a "flat" inlet profile (NoHC) 34 (NoHC) (NoHC) VITAL Stator stg 1LE VITAL Stator stg 2 LE VITAL Outlet rakes avg CFD_Ci CFD_Ci CFD_Ci Total pressure (kpa) Slide 19

19 Demonstratorer RM12 Fläktdemo Motorprov med ny fläkt Demonstrera hög prestanda (+15% dragkraft) Validera teknologi Modulprov fläkt Fullskala Modulprov Demonstrera hög prestanda Validera teknologi Blenda provning Modulprov delskala High speed booster Demonstrera hög prestanda FUTURE provning Delskala, 380 mm Kompressor för fladdervalidering Titan Blisk Hulda provning Modulprov delskala Validera metoder Validera teknologi Slide 20

20 Framgångsrik utveckling och provning av teknologidemonstratorer för lågtryckskompressorer Ett viktigt steg mot en fullskaledemonstrator för RM12 är taget Slide 21

21 Thank You for your attention and welcome to Slide 22 Flygteknik 2010