International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.1
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pp.1-16
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2016
Behaviors of surges appearing near the stall stagnation boundaries in various fashions in systems of a single-stage compressor and flow-path systems were studied analytically and were tried to put to order. Deep surges, which enclose the stall point in the pressure-mass flow plane, tend to have either near-resonant surge frequencies or subharmonic ones. The subharmonic surge is a multiple-loop one containing, for example, in a (1/2) subharmonic one, a deep surge loop and a mild surge loop, the latter of which does not enclose the stall point, staying only within the stalled zone. Both loops have nearly equal time periods, respectively, resulting in a (1/2) subharmonic surge frequency as a whole. The subharmonic surges are found to appear in a narrow zone neighboring the stall stagnation boundary. In other words, they tend to appear in the final stage of the stall stagnation process. It should be emphasized further that the stall stagnation initiates fundamentally at the situation where a volume-modified reduced resonant-surge frequency becomes coincident with that for the stagnation boundary conditions, where the reduced frequency is defined by the acoustical resonance frequency in the flow-path system, the delivery flow-path length and the compressor tip speed, modified by the sectional area ratio and the effect of the stalling pressure ratio. The real surge frequency turns from the resonant frequency to either near-resonant one or subharmonic one, and finally to stagnation condition, for the large-amplitude conditions, caused by the non-linear self-excitation mechanism of the surge.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.9
s.240
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pp.971-978
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2005
Effects of inlet distorted flow on performance, stall and surge are experimentally investigated for a high-speed centrifugal compressor. Tested results for the distorted inlet flow cases are compared with the result of the undistorted one. The performance of compressor is slightly deteriorated due to the inlet distortion. The inlet distortion does not affect the number of stall cell and the propagation velocity. It also does not change stall inception flow rate. However, as the distortion increases, stall starts at the higher flow rate for low speed and at the lower flow rate for high speed. For 50,000 rpm stall occurrs as the flow rate decreases, however disappears fur the smaller flow rate. This is due to the interaction of surge and stall. After the stall and surge interact, the number of stall cell decreases.
The performance of gas turbine engines is affected by instabilities, like as rotating stall and/or surge. Rotating Stall is a transient intermediate stage between normal flow and complete flow breakdown leading to engine surge. Rotating Stall is associated with large amplitude nonaxisymmetric flow variations rotating around the compressor annulus. This paper presents the evolutions of stall propagation in a compressor cascade by numerical analysis. The flow phenomena due to stall cells and propagation speed are examined using 2 dimensional Navier - Stokes equations.
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.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.7
no.3
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pp.110-124
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2014
Surge phenomena in the zone of reduced speeds in a system of a nine-stage axial flow compressor coupled with ducts were studied analytically by use of a surge transient simulation code. Main results are as follows. (1) Expansion of apparently stable, non-surge working area of the pressure vs. flow field beyond the initial stage-stall line was predicted by the code in the lower speed region. The area proved analytically to be caused by significantly mismatched stage-working conditions, particularly with the front stages deep in the rotating stall branch of the characteristics, as was already known in situ and in steady-state calculations also. (2) Surge frequencies were found to increase for decreasing compressor speeds as far as the particular compressor system was concerned. (3) The tendency was found to be explained by a newly introduced volume-modified reduced surge frequency. It suggests that the surge frequency is related intimately with the process of emptying and filling of air into the delivery volume. (4) The upstream range of movement of the fluid mass having once passed through the compressor in surge was found to reduce toward the lower speeds, which could have caused additionally the increase in surge frequency. (5) The concept of the volume-modified reduced surge frequency was able to explain, though qualitatively at present, the behaviors of the area-pressure ratio parameter for the stall stagnation boundary proposed earlier by the author.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.7
no.4
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pp.160-173
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2014
Surge phenomena in multi-stage axial flow compressors were studied with attention to the frequency behaviors. A new parameter "volume-modified reduced surge frequency" was introduced, which took into consideration the essential surge process, i.e., emptying and filling of the working gas in the delivery plenum. The behaviors of the relative surge frequencies at the stall stagnation boundaries, compared with the corresponding duct resonance frequencies, have demonstrated the existence of two types of surges; i.e., a near-resonant surge and a subharmonic surge. The former, which has fundamentally a near-resonance frequency, occurs predominantly at the stall stagnation boundary for the short -and-fat plenum delivery flow-path and the long-and-narrow delivery duct flow-path, and possibly in the intermediate conditions. The latter, which has a subharmonic frequency of the fundamental near-resonant one and occurs mainly in the intermediate zone, is considered to be caused by the reduced frequency restricted to a limited range. In relation with those dimensionless frequencies at the stall stagnation boundary, the surge frequency behaviors in more general situations away from the boundaries could be estimated, though very roughly.
This paper reports an experimental investigation on a centrifugal compressor with the adjustable inlet guide vane. The compression system is composed of a radial impeller, a vaneless diffuser, and an IGV. The results have shown that surge line on the performance map is affected by the amount of prewhirl and the prewhirl has an effect on transient region between rotating stall and surge. The surge lines have been shifted toward the lower flow region with the increased positive prewhirl and the higher flow region with the increased negative prewhirl. During the unsteady performance test, it was also found that the transient region was reduced with the increased negative prewhirl, and weak signals of rotating stall were detected just before surge as the positive prewhirl was increased.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.6
no.2
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pp.56-74
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2013
Stall stagnations in the system of axial-flow compressors and ducts occur in transition from deep surge conditions to decayed or converged stall conditions. The present study is concerned with the boundaries between the deep surges and the stagnation stalls on the basis of analytical results by a code on surge transients analysis and simulation. The fundamental acoustical-geometrical stagnation boundaries were made clear from examinations of the results on a variety of duct configurations coupled with a nine-stage compressor and a single stage fan. The boundary was found to be formed by three parts, i.e., B- and A-boundaries, and an intermediate zone. The B-boundary occurs for the suction-duct having a length of about a quarter of the wave-length of the first resonance in the case of very short and fat plenum-type delivery duct. On the other hand, the A-boundary occurs for the long and narrow duct-type delivery flow-path having a length about a fifth of the wavelength and relatively small sectional area in the case of short and narrow suction ducts. In addition to this, the reduced surge-cycle frequencies with respect to the duct lengths are observed to have respective limiting values at the stagnation boundaries. The reduced frequency for the B-boundary is related with a limiting value of the Greitzer's B parameter. The tendency and the characteristic features of the related flow behaviors in the neighborhood of the boundaries were also made clearer.
This study presents unsteady and unstable characteristics of three stage transonic axial compressor, developed by Korea Aerospace Research Institute. As approaching to the unstable operating region at the 103% design speed of the compressor, a modal type stall precursor appears in front of highly loaded 3rd rotor row at first, and it propagates to the upstream. On the contrary, actual stall cell initiates from the stall precursor in front of the 1st rotor row, and it propagates to the downstream of the compressor. After the stall region reached the 3rd stage and stall cell rotates circumferentially about 360 deg, it develops to one dimensional compressor surge mode. It shows a mild surge behaviour with 3~4 Hz frequency. From the test data, it can be suggested that there is a priority to give an optimum blade loading distributions to construct a multi stage transonic axial compressor stages either to secure more stable compressor operating ranges, or to maximize the compressor efficiency.
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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