SPACELESS

ETAPA I. FABRICAŢIE COMPRESOR CENTRIFUGAL - FAZA 1.
CAMPANIE EXPERIMENTALĂ - FAZA 1

    Prima etapă a proiectului are ca scop principal stabilirea soluţiei constructive a sistemului de recirculare poros, implementat în cadrul difuzoarelor paletate corespunzătoare compresoarelor centrifugale.
    Pentru validarea conceptului pentru o treaptă de compresor centrifugal, a fost utilizat rotorul micromotorului de 40 daN dezvoltat de INCDT COMOTI împreună cu 3 variante distincte de difuzor paletat. Configuraţiile celor trei variante distincte de difuzor paletat sunt ilustrate în Fig. 1, astfel: (a) difuzor cu soliditate mică (LSD - low solidity diffuser), (b) difuzor paletat cu 37 de canale şi (c) difuzor paletat cu 17 canale. Aceste configuraţii au fost realizate folosind Ansys BladeGen utilizând pentru predimensionare calcule la raza medie şi nomograme de proiectare. Proiectarea gazodinamică a unei configuraţii de difuzor paletat cu soliditate mică a fost realizată pentru demonstrarea conceptului, astfel încât efectele de reţea să fie limitate.

Fig. 1 - Configuraţiile geometrice ale compresorului centrifugal, utilizate pentru validarea conceptului

    Simulările numerice au fost realizate în regim staţionar în configuraţie de treaptă integrală (rotor şi stator), utilizând software-ul ANSYS CFX şi programe compatibile acestuia pentru dicretizarea domeniului de calcul.
    Utilizând diagrama de operare a compresorului, a fost aleasă turaţia de 68 000 rpm şi o presiune statică de ieşire de 2.21 bara, regim ce corespunde unui regim de blocaj în configuraţia de referinţă. Alegerea acestui regim este motivată de prezenţa în configuraţia de referinţă a undelor de şoc atât pe canalul principal, cât şi pe canalul secundar.
    Cel mai favorabil caz din punct de vedere al performanţelor obţinute corespunde difuzorului cu paletă secundară cu 17 canale. În Fig. 2 este realizată o reprezentare numerică a unei vizualizări de tip Schlieren pentru a evidenţia reducerea intensităţii undelor de şoc de pe canalele secundare. Modulul gradientului densităţii din Fig. 2 pune în evidenţă existenţa a două unde de şoc în configuraţia "lambda" pe ambele canale secundare. La nivel calitativ, nu se constată o modificare a zonelor de desprindere, astfel încât se apreciază un efect nesemnificativ al zonelor poroase în bilanţul pierderilor de presiune totală cauzate de efecte vâscoase..

Fig. 2 - Vizualizare Schlieren numerică - izosuprafaţă la 50% din canal

    În urma analizelor numerice realizate, s-a constatat că introducerea de zone cu material poros cu cavitate poate avea efecte pozitive în funcţionarea unei trepte de compresor centrifugal cu difuzor paletat, conducând la creşterea randamentului izentropic la debite mari, în regimuri de blocaj. Obţinerea de efecte pozitive, este totuşi condiţionată de bilanţul între reducerea pierderilor de presiune totală cauzate de undele şoc şi creşterea pierderilor de presiune totală cauzate de efectele vâscoase.

ETAPA II - FABRICAȚIE COMPRESOR CENTRIFUGAL – FAZA 2.
CAMPANIE EXPERIMENTALĂ – FAZA 2
ETAPA II - FABRICAȚIE COMPRESOR CENTRIFUGAL – FAZA 2. CAMPANIE EXPERIMENTALĂ – FAZA 2 Validarea conceptului prin testarea directă a întregului compresor (rotor, stator paletat) s-a dovedit a fi un proces prohibitiv din punctul de vedere al tolerantelor paletelor cu porozitate controlată, având în vedere și dimensiunile foarte mici, precum și costurile prohibitive asociate cu realizarea unui număr atât de mare de palete.
Astfel, s-a ales folosirea unei rețele liniare pentru testarea difuzorului cu undă de șoc, permițând în acest fel realizarea unor teste folosind tehnica de vizualizare Schlieren, pentru surprinderea undelor de șoc și testarea sistemului de recirculare poros. S-a ales scalarea geometriei paletelor de stator pentru a reduce costurile asociate procesului tehnologic privind fabricarea zone poroase. Această soluție nu influențează cu nimic scopul proiectului; scalarea fiind conformă cu legile de similitudine aplicabile în domeniul turbomașinilor.
Etapa a doua a proiectului are ca scop definitivarea noii soluției constructive a demonstratorului tehnologic, fabricarea componentelor asociate acestuia, urmată de începerea campaniei experimentale. Figura 1 prezintă schema rețelei de palete. Un aspect important avut în vedere în proiectarea acestei rețele constă în posibilitatea testării unor intensități diferite ale undelor de șoc cu resurse experimentale minime. Pentru aceleași condiții de lucru ale modelului experimental se așteaptă obținerea a cel puțin trei puncte de funcționare diferite ale difuzorului paletat.
Fig. 1 – Modelul experimental al rețelei de palete

Pentru realizarea modelelor experimentale a fost utilizată tehnologia de fabricație aditivă, metoda de topire cu laser pe pat de pulbere (L-PBF “laser powder bed fusion”), procesul de topire selectivă cu laser (SLM – “selective laser melting”). Echipamentul de fabricație utilizat a fost Lasertec 30 SLM (prima generație, DMG Mori Gmbh), iar materialul selectat pentru realizare a fost pulberea de superaliaj cu bază Ni, Inconel 625, aliaj ce este frecvent utilizat în aplicații din domeniul aeronauticii datorită performanțelor sale foarte bune în condiții solicitante din punct de vedere mecanic și termic, dar și în medii corozive.
În Figura 2 sunt prezentate imagini din RDesigner cu dispunerea pieselor pe placa de lucru a echipamentului de fabricație aditivă. Având în vedere că modelele vor fi prelucrate mecanic ulterior, calitatea suprafeței acestora nu mai este o problemă în acest caz. Așadar nu au mai fost realizate analize privind precizia dimensională și calitatea suprafeței modelelor fabricate aditiv. Fig. 2 – Imagini din RDesigner cu modelele experimentale dispuse pe placa de lucru (vedere în planul XOY)
În urma celui de-al doilea test tehnologic au fost propuse următoarele modificări ale modelului: rotunjirea capetelor bazei platformei modelelor experimentale în vederea diminuării pierderilor de material și pentru diminuarea riscului de desprindere și degradare a racletei echipamentului de fabricație aditivă ce asigură distribuirea pulberii la nivelul plăcii de lucru. În Figura 3 se pot observa modelele experimentale fabricat aditiv dispuse pe placa de lucru.
Fig. 3 – Modele experimentale de palete fabricate aditiv. (a) Model CAD cu piedestal redus și (b) – stare brut printată
În urma campaniei experimentale au fost realizate teste pentru modelul experimental cu palete de bază (fără perete poros), iar pe baza datelor experimentale obținute până în acest moment vor fi refăcute analizele numerice pentru a corespunde cat mai fidel condițiilor din teste.

Etapa III. Campanie experimentală - Faza 3.

Principalul obiectiv al acestei etape a constat în validării soluției constructive a sistemului de recirculare poros implementat pentru difuzoarele paletate ale compresoarelor centrifugale. În vederea validării soluției au fost realizate teste experimentale și numerice pentru ambele cazuri (palete fără/cu perete poros).

Figura 1a) prezintă paleta secundară cu perete poros, punând în evidență dimensiunea orificiilor (0.5 mm). Pentru a asigura vizualizarea curgerii fluidului în jurul profilelor aerodinamice, acestea au fost fixate între două plăci de cuarț (Fig. 1b)), asigurând în acest fel o zonă de acces optic a rețelei, necesară vizualizării de tip Schlieren. Forma finală a demonstratorului tehnologic este ilustrată în Fig. 1c).


Având în vedere obiectivele proiectului, demonstrarea conceptului, a limitelor de aplicabilitate și a mecanismului limitativ, a fost selectat pentru comparatie cazul 0.9 bar g (presiune statică la aspirație). Unul dintre avantajele acestui caz este faptul că se pot surprinde unde de șoc din ce în ce mai slabe pe toate cele patru (din 5 ale platformei) canale vizualizate. Astfel se poate vizualiza în mod gradat, în același timp, limita de eficacitate a implementarii - mergând de la desprinderi ușoare ale stratului limită, prin interacțiunea cu curgerea secundară din cavitatea poroasă, până la desprinderi semnificative - în special în primele două canale studiate.

În imaginile din Fig. 2 rezultate în urma vizualizării Schlieren, valorile ridicate ale presiunii și densității sunt evidențiate prin intermediul unor tonuri de alb, în timp ce valorile scăzute ale presiunii și densității sunt prezentate în tonuri mai închise de gri. Undele de șoc ce se dezvoltă în canalele rețelei sunt atât unde de șoc normale, cât și unde de șoc de tip lambda. Spre deosebire de paleta secundară, pe cea principală se observă unde de șoc și în apropierea bordului de atac. Apariția acestor unde de șoc se datorează atât regimului de funcționare (condiții la limită impuse astfel încât curgerea să fie supersonică), geometriei statorului, dar și datorită influențelor rețelei asimetrice, ce poate produce variații locale ale curgerii fluidului în jurul fiecărei palete, conducând astfel la distribuții neuniforme ale presiunii și vitezei.

Prin utilizarea paletelor cu perete poros (Fig. 2b)) se poate observa eliminarea locală a undei de șoc și apariția unui tren de mici unde de șoc, cu un comportament fundamental diferit față de ce se poate observa în cazul profilelor libere cu perete poros. În toate cazurile studiate, în canalele unde intensitatea undelor de șoc este mai mare, aceasta este redusă odată ce fluidul întâlnește peretele poros, deoarece o parte a fluidului intră în cavitatea de sub peretele poros, reducând astfel energia undei de șoc.


Astfel, pentru întrebarea fundamentală dacă prin aplicarea tehnicii peretelui poros se pot elimina undele de șoc în rețele de palete, concluzia experimentală cât și numerică este afirmativă. Mai mult sunt puse în evidență experimental fenomene aerodinamice specifice rețelelor de palete, distincte de cele observate la profile izolate cu perete poros.