The Impact of the Blade Aspect Ratio on Axial Compressor Efficiency and Stability and its Correlation to the Skoch Parameter

Abstract

The design of an axial compressor is mainly the trade-off between efficiency, stability and cost. A parameter that affects all of these three aspects is the blade aspect ratio. Due to the intricacy and complexity of the flow in a compressor, solely the effect of the blade aspect ratio variation is difficult to obtain.

A parameter that supposedly is a gauge of the combined airfoil and end wall loading is the Skoch parameter. Due to the inclusion of the aspect ratio in the definition, the Skoch parameter could perhaps be used in the design phase to offer a range of favorable aspect ratios. Therefore, the Skoch parameter and its correlation to the losses within actual industrial compressors within Siemens has been investigated. Furthermore, three concept compressors with varying aspect ratios has been created in order to make an attempt to isolate the effect of the aspect ratio on efficiency and stability.

For the calculations of the Skoch parameter and other variables, internal data files were made available and manipulated in various MATLAB scripts. The concept compressors were based on the design of an experienced aerodynamicist within Siemens and the aspect ratios were varied while most of the other designable parameters were held constant.

The Skoch parameter proved unsuccessful to be used as a gauge of losses and thus an ineffective method to choose the blade aspect ratios. The concept compressors showed that for an increase in the aspect ratio, the efficiency improved by an almost insignificant amount at the cost of reduced stability.

The insufficiency of the Skoch parameter is believed to be due to numerous reasons. Among them is the neglection of shock and compressibility effects, the dependency of the 2-D parameters such as the diffusion factor and the inaccuracy of assuming that the end wall loading varies proportionally to the inverse of the aspect ratio for low aspect ratios. Regarding the concept compressors it is believed that the increased efficiency for a higher aspect ratio, is due to the shorter chords, the decrease to the Reynolds number and thus the decreased losses. This is also believed to be one of the reasons for the decreased stability. Due to the reduction of the Reynolds number, the flow is more prone to separation. Furthermore, the increase in the ratio of the tip clearance over the chord and the ratio of the axial gap over the chord is believed to further hinder the stability.

Popular Abstract (Swedish)

Genom att utvärdera Skochparametern och skapa tre konceptkompressorer har examensarbetet försökt komma till en slutsats om hur bladens längdförhållande påverkar en kompressors verkningsgrad och stabilitet. Skochparametern visade sig fungera mindre bra som ett verktyg och det visade sig att ett lägre längdförhållande innebar en liten minsking i verkningsgrad, men en betydande ökning i stabilitet.

En kompressor består av flera rader med blad. Varannan rad är en rotor som tillför energi och varannan en stator som skapar tryck. Tillsammans bildar en rotorrad och en statorrad ett steg. Varje steg har sitt unika längdförhållande, som är bladhöjden genom bladets längd, även kallat bladets korda. När man bygger en kompressor måste man bland annat se till att den har en bra verkningsgrad, klarar av att köra i många olika driftpunkter och samtidigt se till att den inte kostar en förmögenhet. Bladens längdförhållanden är en av de saker som påverkar alla dessa tre ovanstående punkter. Dock är det väldigt svårt att avgöra hur längdförhållandet påverkar beteendet då allt beror på vartannat i det komplicerade flöde som finns i en kompressor.

En variabel som kanske kan användas för att välja ett bra längdförhållande, redan tidigt i designfasen av en kompressor är Skochparametern. Därför har denna variabel utvärderats för olika kompressorer inom Siemens och ett samband mellan Skochparametern och verkningsgraden har sökts. Tyvärr, visade det sig att resultaten såg ut mer som abstrakt konst än ett samband. Därför konstaterades det att Skochparametern inte var användbar för Siemens produkter.

I ett försök att isolera längdförhållandes påverkan skapades modeller av tre konceptkompressorer från grunden med olika längdförhållanden. Andra variabler som påverkar verkningsgrad och stabilitet hölls hyfsat konstanta och numeriska metoder användes för att beräkna verkningsgrad och stabilitet. Det visade sig att ett generellt lägre längdförhållande leder till en mycket liten minskning i verkningsgrad, men en betydande förbättring i stabilitet.

Kompressorerna används bland annat för att driva gastrubiner. Gasturbiner hjälper i sin tur till att stabilisera elnätet när vind- och solkraft inte bidrar med så mycket. Därför är det viktigt att kompresserna är stabila i många olika punkter såsom uppstart och när lasten varieras. Därför kan stabilitet anses viktigare än några få promille högre verkningsgrad i och med att vi går mot mer och mer förnyelsebara energikällor och den påverkan de har på elnätets stabilitet.

Examensarbetet försöker vissa att avvägningen mellan stabilitet och verkningsgrad inte är enkel och försöker förklara anledningar till att en kompressor beter sig som den gör. Examensarbetet kan förhoppningsvis användas som stöd vid beslut om vilket längdförhållande kompressorbladen bör ha och erbjuda förklaringar samt beskrivningar av konsekvenserna valet av längdförhållande innebär.

• author: Dahl Alfredsson, Nicky
• supervisor: Magnus Genrup
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Axial compressor, Skoch parameter, Blade aspect ratio, Aerodynamics, Losses, Efficiency, Stability
• report number: LUTMDN/TMHP-18/5414-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 8946972
• date added to LUP: 2018-06-13 11:45:23
• date last changed: 2018-06-13 11:45:23