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.
2010-09-23 Slide 2
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 2010-09-23 Slide 3
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 2010-09-23 Slide 4
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 20 0 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Year 2010-09-23 Slide 5
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 2010-09-23 Slide 6
Avancerad aerodynamik Högt belastade blad Mer arbete per steg Framåtsvepning Hantera stötförluster Ger: Färre antal steg för givet tryckförhållande Lägre förluster 2010-09-23 Slide 7
Bliskar (Bladed disks) Bladen integrerade i skivan Eliminerar infästning Färre antal detaljer Maskinbearbetning Robust känd metod Ger: Lägre vikt Tillförlitlighet Lägre kostnad Bättre strömningskanal 2010-09-23 Slide 8
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 2010-09-23 Slide 9
Utprovning av lösningar Provkompressorer provas på STARCS i Bromma 4+ MW elmotor Top of the line mätoch övervakningssystem 2010-09-23 Slide 10
Provade lågtryckskompressorer Hulda 200 1- stegs kompressor FoT Flygteknik Blenda 3-stegs kompressor Tidigare VITAL HS Booster Delskala, 400 mm Modulär testkompressor Aluminium Blisk Prov 2006, 2007, 2009 och 2010 22.050 rpm Tryckförhållande 2.00 Verkningsgrad (poly): 83% Bladtopphastighet: 462 m/s Delskala, 400 mm Nedskalad high speed LPC Titan Bliskar Prov 2008 och 2009 24.666 rpm Tryckförhållande 4.6 Verkningsgrad (poly): 85% Bladtopphastighet: 516 m/s 2010-09-23 Slide 11
Pressure ratio Blenda kompressordiagram 6 5,5 5 Predikterade funktionsgränser 4,5 4 95.6% 100% 3,5 90% 3 2,5 2 1,5 60% 70% 80% Test Target m dot 18.63 18.49 pol 0.85 0.90 tot 4.73 4.69 1 2010-09-23 Slide 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Normalised airflow (kg/s)
Pressure ratio Hulda kompressordiagram 2.1 Predikterade funktionsgränser 2 1.9 1.8 95% 100% 1.7 1.6 90% Test Target m dot 20.6 20.0 1.5 1.4 80% 85% pol 0.83 0.85 tot 2.01 2.00 1.3 70% 1.2 60% 1.1 1 Utprovat område Ej provat område (Provas 2010) 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Corrected mass flow (kg/s) Resonansområde (lagerkonsol) 2010-09-23 Slide 13
2010-09-23 Slide 14
Exempel på övervakningsskärm vid prov 2010-09-23 Slide 15
Amplitud P-P Exempel på mätningar: bladvibrationer Bladresonans 1T 8E Varvtal 2010-09-23 Slide 17 Utböjning per blad Egenfrekvens per blad
Exempel på mätningar: Resonanser hos Blenda bliskar Vibrationsmätningar Metalltemperatur Töjningsmätningar 2010-09-23 Slide 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. 0.19 0.18 0.17 34 (NoHC) 34 (NoHC) 0.16 0.15 0.14 34 (NoHC) VITAL Stator stg 1LE VITAL Stator stg 2 LE VITAL Outlet rakes avg CFD_Ci CFD_Ci CFD_Ci 0.13 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Total pressure (kpa) 2010-09-23 Slide 19
Demonstratorer 2009 2010 2011 2012 2013 2014 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 2010-09-23 Slide 20
Framgångsrik utveckling och provning av teknologidemonstratorer för lågtryckskompressorer Ett viktigt steg mot en fullskaledemonstrator för RM12 är taget 2010-09-23 Slide 21
Thank You for your attention and welcome to Slide 22 Flygteknik 2010