This study presents a numerical procedure to optimize the compressor design to increase the surge margin of compressor with response surface method (RSM). The Box-Behnken design method is used to reduce the number of calculation for fitting the second-order response surface. In order to consider the increase of surge margin during numerical optimization without any calculation at the surge point, the slope of compressor characteristic curve at the design point is suggested as an objective function in the present optimization problem. Mean line performance analysis method is used to get the design and off-design characteristic curves of centrifugal compressor. The impeller exit angle, impeller exit height and impeller radius are chosen as design variables. The optimum shapes show the increase of surge margin for the surge margin optimization and increase of efficiency for the efficiency optimization in comparison with an initial shape.
This study presents an aerodynamic design and an experimental performance test of a turbo air compressor consisted of mixed-flow impeller and curved diffuser for the PEM fuel cell vehicle application. Many studies compare the efficiency, cost or noise level of high-pressure and low-pressure operation of PEM fuel cell systems. Pressure ratio 2.2:1 is considered as design target The goal of compressor design is to enlarge the flow margin of compressor from surge to choke mass flow rate to cover the operational envelope of FCV. Large-scale rig test is performed to evaluate the compressor performance and to compare the effects of compressor exit pipe volume to stall or surge characteristics. The results show that the mixed-flow compressor designed has large flow margin, and the flow margin of compressor configuration with small exit volume is larger than that with large exit volume.
This paper presents a study on the performance of NASA Rotor 37 with the casing grooves based on three-dimensional numerical analysis. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved on a hexahedral grid with the shear stress transport model as a turbulence closure model. The governing equations are discretized by a finite volume method. The validation of the numerical results is performed through experimental data for the total pressure ratio and the adiabatic efficiency. The investigation for an axial compressor with a smooth casing and the casing grooves is carried out to compare the performance parameters, for example, surge margin and efficiency, etc. The surge margin is improved in the case of the casing grooves while remarkable improvement of the efficiency is not produced. The result shows that the casing groove is beneficial to expand the operating range of NASA Rotor 37.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.3
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pp.260-270
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2010
Reducing the losses of the tip clearance flow is one of the keys in an unshrouded centrifugal compressor design and development because tip clearances are large in relation to the span of the blades and also centrifugal compressors produce a sufficiently large pressure rise in single stage. This problem is more acute for a low flow high-pressure ratio impeller design. The large tip clearance would cause flow separations, and as a result it would drop both the efficiency and surge margin. Thus a design of a high efficiency and wide operation range low flow coefficient centrifugal compressor is a great challenge. This paper describes a recent development of high efficiency and wide surge margin low flow coefficient centrifugal compressor. A viscous turbomachinery optimal design method developed by the authors for axial flow machine was further extended and used in the centrifugal compressor design. The compressor has three main parts: impeller, a low solidity diffuser and volute. The tip clearance is under a special consideration in this design to allow impeller insensitiveness to the clearance. A patented three-dimensional low solidity diffuser design method is used and applied to this design. The compressor test results demonstrated to be successful to extend the low solidity diffusers to high-pressure ratio compressor. The compressor stage performance showed the total to static efficiency of the compressor being about 85% and stability range over 35%. The test results are in good agreement with the design.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.7
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pp.539-546
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2013
Surge phenomenon can be occurred in a compressor when compressor performance of turbofan engine for an aircraft is changed considerably in a short time on the cases like take-off phase and changing of RPM from idle to maximum, because performance of aircraft engine is changed suddenly. This study is aimed to avoid surge in a compressor. Dynamic simulation in a compressor is modeled by simulink in specific condition. Fuel flow is control input, rpm and air mass flow are expressed in terms of transfer function. Surge margin is obtained by using compressor performance map from NPSS. VIGV(Variable Inlet Guide Vane) is controlled by PD controller with difference between surge margin and reference. Finally this paper verifies IGV can prevent surge phenomenon in a compressor.
Park, Chi-Yong;Choi, Young-Seok;Lee, Kyoung-Yong;Yoon, Joon-Yong
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.14
no.2
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pp.11-16
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2011
This paper presents a numerical study of casing treatments on a centrifugal compressor stage to improve stability and the surge margin. High efficiency, a high pressure ratio, and a wide operating range are required for a high performance centrifugal compressor. In the present study, a ring groove arrangement was applied to the transonic centrifugal compressor. According to the numerical analysis using a commercial code ANSYS-CFX, the unstable phenomena limiting the range of the centrifugal compressors were compared with and without a ring groove. Although the ring groove decreased the efficiency, but increased the operating range by suppressing a flow separation at the leading-edge of the impeller especially near shroud part. Newly designed ring groove arrangement improved the compressor performance and increased the operating range of the compressor.
This study simulated the operation of a steam injected gas turbine combined heat and power (CHP) system. A full off-design analysis was carried out to examine the change in the turbine blade temperature caused by steam injection. The prediction of turbine blade temperature was performed for the operating modes suggested in the previous study where the limitation of compressor surge margin reduction was analyzed in the steam injected gas turbine. It was found that both the fully injected and partially injected operations suggested in the previous study would cause the blade temperature to exceed that of the pure CHP operation and the under-firing operation would provide too low blade temperature. An optimal operation was proposed where both the turbine inlet temperature and the injection amount were modulated to keep both the reference turbine blade temperature and the minimum compressor surge margin. The modulation was intended to maintain a stable compressor operation and turbine life. It was shown that the optimal operation would provide a larger power output than the under-firing operation and a higher efficiency than the original partially injected operation.
Kim, Hong-Won;Chung, Jae-Hoon;Ryu, Seung-Hyup;Lee, Geun Sik
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.18
no.2
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pp.22-28
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2015
The primary design goal of a compressor is focused on improving efficiency. Secondary objective is to widen the operating range of compressor. This paper presents a numerical and experimental investigation of the influence of the bleed slot on the operating range for the 1.2 MW class centrifugal compressor installed in a turbocharger. The main design parameters of the bleed slot casing are upstream slot position, inlet pipe slope, downstream slot position and width. The DOE(design of experiment) method was carried out to optimize the casing design. Numerical analyses were done by the commercial code ANSYS-CFX based on the three dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Results showed that efficiency and pressure ratio increased as the downstream slot position and width were smaller and the upstream position was located away from the impeller inlet. Experimental works were also done with and without the bleed slot casing. The simulation results were in good agreement with the test data. Enhancement of both the surge margin up to 26.5% and the pressure ratio with the optimized bleed slot design were achieved, compared with the surge margin of only 6.6% without the bleed slot casing.
A fuel spiking test was performed to measure the surge margin of gas turbine engines. The surge marin was mainly determined by the compressors and fuel spiking was used to change the operating point in the compressor characteristic map while speed remained constant. To access the surge margin region different spiking signals were applied by modulations of time(frequency) and fuel flow rate(amplitude). The test results showed good agreements with expected fuel spiking patterns and possibility of further studies.
An experimental study on the performance and instability development characteristics of a centrifugal compressor equipped with an adjustable inlet guide vane has been performed with varying guide vane angles. The test was conducted at the design speed of 20,800 rpm for 6 guide vane angles : $-30^{\circ},\;-20^{\circ},\;10^{\circ},\;0^{\circ},\;10^{\circ},\;20^{\circ},\;30^{\circ}$. Unsteady pressures were measured using high-frequency pressure transducers at the inducer to investigate the instability phenomena such as rotating stall and surge inside the compressor. From the unsteady measurements, it is found that the transient process from rotating stall to surge was mainly affected by inlet guide vane angles. The results of the present study can be applied to the instability control of the centrifugal compressors using a adjustable inlet guide vane.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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