Measurements of the leakage flow in the shrouded cavity were performed in axial compressor cascades at $Re=2.6{\times}10^5$. This paper describes the effects of the leakage flow tangential velocity on kinematics of the leakage flow in the shrouded cavity and consequent overall loss and exit flow turning at stator blade row downstream. Flow data and flow visualization images consistently indicate that leakage flow circumferentially migrates 2, 4 and 5 blade passages in the direction of rotation for ${\upsilon}_y/c=0.09$, 0.35 and 0.45, respectively where ${\upsilon}_y$ is the leakage tangential velocity and c is the mainstream velocity. The leakage flow contracts to a jet across the seal-tooth resulting in an increase in the leakage axial velocity-doubling the leakage axial velocity in upstream cavity compared to that in the downstream cavity. Consequently, two flow regions are distinguished before and after the seal-tooth. As increasing the leakage tangential velocity, the overall loss downstream of stator blade row decreases and the exit flow turning in the range of span. from the hub endwall to 15% increases while the decreases in the flow turning from 15% to 30% span is observed.
Lee, Jae Seok;Kim, Jin Hee;Kim, Tongbeum;Song, Seung Jin
유체기계공업학회:학술대회논문집
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2004.12a
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pp.427-433
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2004
The effects of flow interaction between mainstream and shrouded cavity leakage flow in an axial-flow compressor on aerodynamic losses are experimentally and numerically examined. A fraction of mainstream is Ingested in the downstream cavity and travelled in the shrouded cavity along the direction opposite to the mainstream. This leakage flow is caused by adverse pressure gradient along the blade passage. Then it is entrained through the upstream cavity near mid-pitch and interacts with the mainstream. As a result, the convection flow angle with respect to the blade chord is reduced i.e. underturning This underturned flow results in an increase in size of secondary flow formed near the suction side of the blade as well as its magnitude. Consequently, this causes pronounced increase in overall aerodynamic losses compared to the blading without shrouded cavity, leading to $9\%$ decrease in pressure rise through the single stage of the stators.
Numerical analysis of three-dimensional vicous flow is used to compute the design speed operating line of a transonic axial-flow compressor. The Navier-Stokes equation was solved by an explicit finite-difference numerical scheme and the Baldwin-Lomax turbulence model was applied. A spatially-varying time-step and an implicit residual smoothing were used to improve convergence. Two-stage axial compressor of a turboshaft engine developed KARI was chosen for the analysis. Numerical results show reasonably good agreements with experimental measurements made by KARI. Numerical solutions indicate that there exist a strong shock-boundary layer interaction and a subsequent large flow separation. It is also observed that the shock is moved ahead of the blade passage at near-stall condition.
Three dimensional unsteady numerical calculations were performed to investigate unsteadiness of the tip leakage flow in an axial compressor. The first stage of the four-stage low-speed research axial compressor was examined. Since this compressor has a relatively large tip clearance, the unsteadiness of the tip leakage flow is induced. Through the results from the unsteady calculations, the process of the induced unsteady tip leakage flow was investigated. It was shown that the leakage flow that occurred at a rotor blade tip clearance affected the pressure distribution on the pressure side near the tip of the adjacent blade, thus caused the fluctuation of the pressure difference between the pressure side and suction side. Consequently, the unsteady tip leakage flow was induced at the adjacent rotor blade. The unsteady feature of the tip leakage flow was changed as the operating point was moved. The interface between the tip leakage flow and the main flow only affected the trailing edge region at the design point whereas the interface influenced up to the leading edge at the low flow rate point. As the flow rate decreased, additionally, it was seen that the vortex size of the tip leakage flow increased and the relatively large length scale disturbance occurred. On the other hand, using frequency analysis, it was shown that the unsteadiness was not associated with the rotor speed and was about 40% of the blade passing frequency. This feature was explained in the rotor relative frame of reference, and the frequency decreased as the flow rate decreased.
Taghavi-Zenouz, Reza;Behbahani, Mohammad Hosein Ababaf
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.1
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pp.91-98
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2017
Performance of a low speed axial compressor is enhanced through a proper configuration of blade row tip injection and casing treatment of groove type. Air injectors were mounted evenly spaced upstream of the blade row within the casing groove and were all aligned parallel to the compressor axis. The groove, which covers all the blade tip chord length, extends all-round the casing circumference. Method of investigation is based on solution of the unsteady form of the Navier-Stokes equations utilizing $k-{\omega}$ SST turbulence model. Extensive parametric studies have been carried out to explore effects of injectors' flow momentums and yaw angles on compressor performance, while being run at different throttle valve setting. Emphasis has been focused on situations near to stall condition. Unsteady numerical analyses for untreated casing and no-injection case for near stall condition provided to discover two well-known criteria for spike stall inception, i.e., blade leading edge spillage and trailing edge back-flow. Final results showed that with only 6 injectors mounted axially in the casing groove and at yaw angle of 15 degrees opposite the direction of the blade row rotation, with a total mass flow rate of only 0.5% of the compressor main flow, surprisingly, the stall margin improves by 15.5%.
Blade shape profile in the axial compressor is one of the most important factors governing its aerodynamic characteristics. Manufacturing tolerance, which is inevitable in the blade manufacturing processes, may change blade profile and as a consequence, it will affect the compressor performance. In this paper, influence of manufacturing tolerance on the aerodynamic characteristics of axial compressor blades with distortion of blade profile curvatures is investigated by using a flow simulation technique. It is found that manufacturing tolerance can be an important factor affecting the source of both profile and wake losses of the axial compressor blades.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.5
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pp.615-622
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2000
Numerical simulation is performed with Denton's code to get pressure loss coefficients in wide range of reverse flow incidence(from -90 degree to +85 degree) for an axial compressor cascade. As a results, it is found that the pressure loss coefficient is increased with incidence and there exist critical incidence which corresponds to the maximum pressure loss coefficient. Pressure loss coefficient with bigger incidence than its critical value is decreased. The effect of increasing incidence in a cascade extremely reduce the mass flow rate by the large flow separation region. Consequently this effect reduce the portion of dynamic pressure in the total pressure loss and beyond the critical incidence the pressure loss coefficient decrease.
Korea Aerospace Research Institute is performing 3 stage transonic axial compressor development program. This paper introduces design step of the compressor, the performance test results and its analysis. In the fore part of the paper, aerodynamic process of the 3 stage axial compressor is presented. To satisfy both of the mass flow and pressure rise, the compressor should rotate at a high rotational speed. Therefore the transonic flow field forms in the rotor stages and it is designed with a relatively high pressure rise per stage to satisfy its design target. The compressor stage consists of 3 stages, and the bulk pressure ratio is 2.5. The first stage is burdened with the highest pressure ratio and less pressure rises occur in the following stages. Also it is designed that tip Mach number of the first rotor row does not exceed 1.3, while the maximum relative Mach number in the rotor stage is between 1.3~1.4 to increase the compressor flow coefficient. The final design has been confirmed by iterating three dimensional CFD calculations to verify design target and some design intentions. In the latter part of the paper, its performance test processes and results are presented. The performance test result shows that the overall compressor performance targets; pressure ratio and efficiency are well achieved. The stator static pressure distributions show that the blade loading is gradually increasing from the downstream of the compressor.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.4
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pp.338-353
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2016
Information on the surge behaviors and stall stagnation boundaries for a nine-stage axial flow compressor are summarized on the basis of analytical data in comparison with those for a single-stage one, with attention to the pressure ratio effect. The general trends of the surge loop behaviors of the pressure-mass flow are similar for both compressors including the fact that the subharmonic surges tend to appear very near the stall stagnation boundaries. With respect to the nine-stage compressor, however, the mild loops in the subharmonic surges tend to be very small in size relative to the deep loops, and at the same time, insufficient surge recovery phenomenon, which is a kind of subharmonic surge, appears also far from the stagnation boundary for relatively short delivery flow-paths. The latter is found to be a rear-stage surge caused by unstalling and re-stalling of the rear stages with the front-stages kept in stall in the stalled condition of the whole compressor, which situation is caused by stage-wise mismatching in the bottom pressure levels of the in-stall multi-stage compressor. The fundamental information on the stall stagnation boundaries is given by a group of normalized geometrical parameters including relative delivery flow-path length, relative suction flow-path length, and sectional area-pressure ratio, and by another group of normalized frequency parameters including relative surge frequencies, modified reduced resonance frequencies, and modified reduced surge frequencies. Respective groups of the normalized parameters show very similar tendency of behaviors for the nine-stage compressor and the single-stage compressor. The modified reduced resonance frequency could be the more reasonable parameter suggesting the flow-induced oscillation nature of the surge phenomena. It could give the stall stagnation boundary in a more unified manner than the Greitzer's B parameter.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.10
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pp.1210-1218
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2004
Experimental study was performed to investigate the flow behavior in boundary layer on the blade suction surface of a multi-stage axial flow compressor, which was focused on the third stage of the 4-stage Low Speed Research Compressor. Flow measurements in the boundary layer were obtained using a boundary layer hot wire probe, which was traversed normal to the blade suction surface at small increments by the probe traverse specially designed. Detailed boundary layer flow measurements covering most of the stator suction surface were taken and are described using time mean and ensemble averaged velocity profiles. Amplitude of the velocity fluctuation and turbulence intensity in the boundary layer flow are also discussed. At midspan, narrow but strong wake zone due to passing wake disturbances is generated in the boundary layer near the blade leading edge for the rotor blade passing period. Corner separation is observed at the tip region near the trailing edge, which causes to increase steeply the boundary layer thickness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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