Influence of tip clearance on flow behavior and noise generation of centrifugal compressors in near-surge conditions

CFD has become an essential tool for researchers to analyze centrifugal compressors. Tip leakage flow is usually considered one of the main mechanisms that dictate compressor flow field and stability. However, it is a common practice to rely on CAD tip clearance, even though the gap between blades and shroud changes when compressor is running. In this paper, sensitivity of centrifugal compressor flow field and noise prediction to tip clearance ratio is investigated. 3D CFD simulations are performed with three different tip clearance ratios in accordance to expected operating values, extracted from shaft motion measurements and FEM predictions of temperature and rotational deformation. Near-surge operating conditions are simulated with URANS and DES. DES shows superior performance for acoustic predictions. Cases with reduced tip clearance present higher pressure ratio and isentropic efficiency, but no significant changes in compressor acoustic signature are found when varying clearance. In this working point, tip clearance is immersed in a region of strongly swirling backflow. Therefore, tip leakage cannot establish any coherent noise source mechanism.The equipment used in this work has been partially supported by FEDER project funds "Dotacion de infraestructuras cientifico tecnicas para el Centro Integral de Mejora Energetica y Medioambiental de Sistemas de Transporte (CiMeT), (FEDER-ICTS-2012-06)", framed in the operational program of unique scientific and technical infrastructure of the Ministry of Science and Innovation of Spain. The authors wish to thank Mr. Pau Raga for his worthy assistance during the meshing process.Galindo, J.; Tiseira Izaguirre, AO.; Navarro García, R.; López Hidalgo, MA. (2015). Influence of tip clearance on flow behavior and noise generation of centrifugal compressors in near-surge conditions. International Journal of Heat and Fluid Flow. 52:129-139. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.12.004S1291395

Methodology for experimental validation of a CFD model for predicting noise generation in centrifugal compressors

Centrifugal compressors working in the surge side of the map generate a broadband noise in the range of 1-3 kHz, named as whoosh noise. This noise is perceived at strongly downsized engines operating at particular conditions (full load, tip-in and tip-out maneuvers). A 3-dimensional CFD model of a centrifugal compressor is built to analyze fluid phenomena related to whoosh noise. A detached eddy simulation is performed with the compressor operating at the peak pressure point of 160 krpm. A steady flow rig mounted on an anechoic chamber is used to obtain experimental measurements as a means of validation for the numerical model. In-duct pressure signals are obtained in addition to standard averaged global variables. The numerical simulation provides global variables showing excellent agreement with experimental measurements. Pressure spectra comparison is performed to assess noise prediction capability of numerical model. The influence of the type and position of the virtual pressure probes is evaluated. Pressure decomposition is required by the simulations to obtain meaningful spectra. Different techniques for obtaining pressure components are analyzed. At the simulated conditions, a broadband noise in 1-3 kHz frequency band is detected in the experimental measurements. This whoosh noise is also captured by the numerical model. (C) 2014 Elsevier Inc. All rights reserved.This work has been partially supported by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad through grant No. TRA2012-36954. Part of the computational resources used in this work have been provided by Supercomputing Center of Universitat Politecnica de Valencia and are thus gratefully acknowledged.Broatch Jacobi, JA.; Galindo Lucas, J.; Navarro García, R.; García Tíscar, J. (2014). Methodology for experimental validation of a CFD model for predicting noise generation in centrifugal compressors. International Journal of Heat and Fluid Flow. 50:134-144. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.06.006S1341445

Experimental Detection of Dominant Sound Generation Mechanisms of Centrifugal Compressors

Die Ziele dieser Arbeit sind es, die dominierenden aerodynamischen Entstehungsmechanismen des in die Strömungskanäle emittierten Radialverdichtergeräusches durch profunde Experimente aufzude-cken und die Schallentwicklung verschiedener Radialverdichtertypen mit unterschiedlichen strö-mungstechnischen Eigenschaften zu vergleichen. Des weiteren sollen die Messdaten dazu genutzt werden, um verschiedene Ansätze für prognostische Aussagen zu den zu erwartenden Verdichtergeräuschen auf die Anwendbarkeit auf hochbelastete, transsonische Radialverdichter zu prüfen. Am Ende sollen auf Grundlage dieser Erkenntnisse Vorschläge zu primären Geräuschminderungen durch konstruktive Maßnahmen direkt im Quellbereich erarbeitet werden. Dazu wurden mit ausführlichen Messungen an zwei Laufradtypen, jeweils mit einem beschaufelten und einem unbeschaufelten Diffusor, bei verschiedenen repräsentativen Betriebspunkten die Entstehungs- und Ausbreitungsmechanismen des Schalls durch Analysen der Schallfeldstruktur im Ansaugkanal untersucht. Zusätzlich sind im Ausblaskanal an feststehenden, wandbündigen Messpunkten die Schalldrücke und direkt über den Schaufeloberkanten der beiden Laufräder die instationären Drücke mit im Laufraddeckel montierten Sensoren aufgenommen worden. Es zeigte sich, dass bei hohen Drehzahlen die Schallemissionen in erster Linie durch den Drehklang (Rotordrehfrequenz mal Schaufelanzahl und Vielfache davon) dominiert werden. Bei transsonischer Laufradanströmung treten außerdem Pegelspitzen der Rotordrehfrequenz und ihrer Harmonischen in Erscheinung, die als Buzz-Saw-Noise (Kreissägengeräusch) bezeichnet werden, aber im Vergleich zum Drehklang das Gesamtgeräusch nicht so stark prägen. Ein Vergleich von Ergebnissen zweier CFD-Analysen mit gemessenen instationären Wanddrücken an der Innenseite des Laufraddeckels eines der hier untersuchten Verdichter ergibt, dass stationäre Lö-sungen zur Bestimmung von Schalldrücken bestimmter rotorkohärenter Schallkomponenten im Quell-gebiet und im Nahfeld herangezogen werden können. Darauf aufbauend lassen sich Schlussfolgerun-gen ziehen in Hinsicht auf die Verwendbarkeit stationärer Lösungen für vergleichende Schallprogno-sen tonaler Komponenten bei der Entwicklung von Radialverdichtern im Entwurfsstadium. Für die Schallleistung im Ansaugkanal wird ein empirisches Modell als Funktion der Umfangsmach-zahl des Laufrades vorgestellt. Die Entwicklung eines Skalierungsmodells zur Übertragung der hier gemessenen Schallleistungen auf andere Verdichterbaugrößen auf der Grundlage der akustischen Ähnlichkeitsgesetze zeigte, dass der bei anderen Strömungsmaschinen erfolgreich angewendete Produktansatz von Weidemann [1] hier nicht anwendbar ist. Es werden verschiedene Möglichkeiten der geometrischen Gestaltung im Eingangsbereich des Ver-dichters vorgeschlagen, die hauptsächlich darauf abzielen, bei hohen Drehzahlen den Drehklang bei der Entstehung zu reduzieren.The main goal of this work is the detection of the aerodynamic sound generation mechanisms of centrifugal compressors by detailed experiments and the comparison of the sound emission of four compressor variations with different aerodynamic characteristics. Furthermore, the measured data shall be used to verify the practicality of several sound prediction methods applied to highly loaded transonic centrifugal compressors. Based on these results, technical modifications for the noise sources of these compressors should be recommended. The acoustic measurements were taken for two types of impellers, each combined with either a vaneless or a vaned diffuser. The mechanisms of sound generation and propagation are investigated by analysing the spacial structure of the sound field in the inlet flow duct of the compressor. Additionally, measurements of the sound pressure close to the duct wall of the outlet flow channel were performed with fixed microphones and the pressure fluctuations on the inside of the impeller casing were measured. If the rotor speed is high the sound emission is dominated by the blade passage frequency (BPF) and its harmonics. In a transonic flow regime the so-called buzz saw noise appears which can result in an effective noise source but the BPF and its harmonics dominate the over-all sound level. A successful comparison of data from numerical simulations with measuring results shows that stationary solutions could be used for comparative predictions of tonal sound components in the development of radial compressors. In this work an empirical model for the sound power depending on the tip speed Mach number in the inlet duct is introduced. A scaling model based on acoustic similarity laws, developed for subsonic centrifugal fans, could not be applied to transonic radial compressors for transferring the measured sound power to different compressor sizes. Finally, various possibilities for designing the compressor inlet are introduced to reduce the emission at the BPF and its harmonics

Aufbereitung und statistische Analysen von Radardaten für Fluglärmberechnungem

Das Verfahren zur Berechnung von Fluglärm nach Fluglärmgesetz in Deutschland ist in der AzB festgelegt. Die dafür nötige Datengrundlage ist in der AzD beschrieben. Sie beinhaltet flughafenspezifische Daten, wie geografische Angaben der Start- und Landbahnen, Flugrouten bzw. -strecken und Verkehrszahlen sowie die Luftfahrzeugklassen (Lfz-Klassen) als flughafenunabhängige Daten. Radardaten, die von den Flughäfen aus flugsicherheitstechnischen Gründen erhoben und gespeichert werden, enthalten die realen Flugbahnen von Luftfahrzeugen (Lfz). Sie liegen in diskreten Zeitschritten vor und können für die Erzeugung bzw. Überprüfung oder Ergänzungen von Eingangsdaten für Fluglärmberechnungen und die Auswertung von Fluglärmmessdaten herangezogen werden. Da sie aber für diese Zwecke originär nicht vorgesehen sind, müssen Radardaten in einem ersten Schritt aufbereitet werden, um sie für Fluglärmbelange nutzen zu können. Das beinhaltet die Korrektur leichter Datenfehler, die Transformation geografischer in UTM-Koordinaten und die Umwandlung nautischer bzw. imperialer Maßeinheiten in SI-Einheiten. Als nächstes erfolgt eine Erstellung von Flugprofilen und die statistische Analyse der Daten. Ist die Anzahl der Flugbewegungen groß, muss die Aufbereitung und Analyse der Radardaten automatisiert werden. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeiten ist die Bereitstellung und die statistische Analyse von aufbereiteten Positionsdaten, vor allem aber als Höhen- und Geschwindigkeitsprofile (Flugprofile) von Luftfahrzeugen bzw. Luftfahrzeugklassen. Angewendet wurden die Ergebnisse der hier vorgestellten Radardatenaufbereitungen in dem Forschungsauftrag "Überprüfung und Verbesserung der Berechnungsverfahren im Fluglärm"