Voigt, Andreas Jauernik

Energisektoren bevæger sig i stigende grad imod undersøisk olie- og gasproduktion, hvilket medfører placering af procesudstyr i anlæg under havets overflade. Muligheden for separation af væske- og gas-fraktionerne i brønd-flowet er under disse forhold stærkt begrænset og forbundet med store økonomiske omkostninger. Dette medfører et ønske om, at undersøisk installerede pumper og kompressorer nu skal kunne håndtere flerfase strømninger. De grundlæggende egenskaber for enfasede og flerfasede strømninger er signifikant forskellige, hvilket medfører, at flerfase strømningernes indflydelse på rotordynamikken af roterende maskiner kræver særbehandling. Ydermere er turbomaskineritætninger afgørende for funktionaliteten af pumper og kompressorer, hvorfor evnen til at forudsige den komplekse interaktion mellem fluid- og rotordynamik i disse tætninger er et centralt aspekt ved design af roterende udstyr. Numeriske værktøjer, der kan forudsige rotordynamiske egenskaber for tætninger udsat for flerfase flow, er under udvikling, men den udtalte mangel på eksperimentelle data umuliggør benchmarking og validering af disse værktøjer.Denne afhandling dokumenterer designet og indkøringen af en testmaskine, som faciliterer eksperimentel identifikation af turbomaskineritætningers rotordynamiske egenskaber i både enkeltfase og flerfase flow. Indkøringen af testmaskinen er udført udelukkende ved brug af enkeltfase luftflow med det formål at vurdere test maskinens funktionalitet og der præsenteres ingen eksperimentelle multifase resultater i afhandlingen. Testmaskinen består af fire moduler, hvoraf en rotordynamisk testbænk baseret på aktive magnetiske lejer med et state of the art Hall-sensor system udgør kernen. Desuden inkluderer testmaskinen et kalibreringsmodul til kalibrering af Hall sensor systemet. Det tredje modul huser testtætningerne og det fjerde modul tilføjer en enkeltfase luftforsyning til testmaskinens infrastruktur. Evnen til at kunne identificere de rotordynamiske egenskaber af testtætningerne er stærkt afhængig af en præcis kvantificering af de kræfter, der udøves på rotoren af strømninger i tætningerne. Derfor er der igennem afhandlingen fokus på den nødvendige kalibrering af Hall sen-sor systemet, hvilket tilvejebringer kraftmålingsfunktionaliteten af testmaskinen. De i afhandlingen præsenterede kalibrerings- og validerings-resultater dokumenterer, at Hall sensor systemet gør testmaskinen i stand til at kvantificere kræfter med høj præcision. Med tilføjelsen af rotor positionsmålinger kan de rotordynamiske egenskaber af testtætningerne bestemmes ved brug af en tidsdomæne identifikationsmetodologi. Dette er i afhandlingen dokumenteret for et afgrænset udvalg af operationsbetingelser. Ydermere dokumenterer afhandlingen anvendelse af et kommercielt tilgængeligt computational fluid dynamics software til numerisk at estimere rotordynamiske egenskaber for tætninger i multifase strømninger. Afhandlingen dokumenterer et første skridt imod validering af numeriske modeller for flerfase tætningsanalyser og lægger fundamentetThe energy sector’s recent drive towards subsea oil and gas production brings about a requirement to locate process equipment in deep-water installations for which performing liquid and gas separation on the well stream is limited. Consequently, the subsea installed pumps and compressors are now required to handle multiphase fluids. The difference between fundamental properties of single phase and multiphase flows entails that multiphase flow impact on the rotordynamics of rotating machines requires special treatment. Furthermore, turbomachinery seals are pivotal for the performance of pumps and compressors for which reason the ability to predict the complex interaction between fluid dynamics and rotordynamics within these seals is a key aspect in the design of rotating equipment. Numerical tools offering predictive capabilities for seals subjected to multiphase flow conditions are currently being developed and refined, however a pronounced lack of experimental data renders benchmarking and validation impossible.This thesis focusses on documenting the design and commissioning of a test facility enabling the much needed experimental identification of rotordynamic properties for turbomachinery seals in both single phase and multiphase flow. The commissioning phase of the test facility solely employs single phase air flow for performance assessment of the test facility and no experimental multiphase results are included in the thesis. The test facility consists of four modules of which an industrial scale rotordynamic test bench consisting of two radial active magnetic bearings with an embedded Hall sensor system, a rigid rotor, and a drive unit acts as the hub. In addition, the test facility includes a module facilitating calibration of the state of the art system of Hall sensors which provides important contact free force measurement capabilities. The third module houses the smooth annular test seals and the fourth module adds a single phase air flow supply to the test facility infrastructure. For experimental identification purposes the ability to acquire precise information of the forces exerted onto the rotor by the seal flow is of paramount importance. Consequently, this subject receives substantial attention throughout the thesis with a strong focus on the calibration necessary for the Hall sensor system to be of any practical use. The presented calibration results and subsequent performance validation campaign documents that the test facility is capable of quantifying forces with high precision. With the addition of rotor displacement measurements the rotordynamic properties of the test seals can be determined. This is demonstrated for a limited range of seal flow perturbation frequencies using a time domain identification scheme. Additionally, the use of commercial computational fluid dynamics software for estimating rotordynamic properties of seals in a range of multiphase flow conditions is exemplified in the thesis. The thesis documents a first step towards establishing validated numerical models for multiphase seal analysis and forms a fundamental basis for future studies within the research field

Online Research Database In Technology

Towards Identification of Rotordynamic Properties for Seals in Multiphase Flow Using Active Magnetic Bearings. Design and Commissioning of a Novel Test Facility.

http://orbit.dtu.dk/ws/files/127012417/S212_Andreas_J_Voigt_PhD_Thesis.pdf

Towards Identification of Rotordynamic Properties for Seals in Multiphase Flow Using Active Magnetic Bearings. Design and Commissioning of a Novel Test Facility.

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology