Concerted investigation of aerodynamic and noise generation mechanisms in highly-loaded axial flow rotor blade rows  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
83807
Type K
Principal investigator Vad, János
Title in Hungarian Fokozott terhelésű axiális átömlésű járókerék-lapátrácsok aerodinamikai és zajkeltési mechanizmusainak együttes vizsgálata
Title in English Concerted investigation of aerodynamic and noise generation mechanisms in highly-loaded axial flow rotor blade rows
Keywords in Hungarian Axiális átömlésű forgógépek, fokozott fajlagos teljesítmény, sugár mentén változó cirkulációra méretezés, aero-akusztika, zajcsökkentés, mikrofontömbös méréstechnika (PAM), CFD, CAA
Keywords in English axial flow turbomachinery, high specific performance, controlled vortex design, aero-acoustics, noise control, Phased Array Microphone (PAM), CFD, CAA
Discipline
Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Thermal engineering
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Fluid Mechanics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Benedek, Tamás
Horváth, Csaba
Lohász, Máté Márton
Nagy, László
Tóth, Péter
Starting date 2011-02-01
Closing date 2014-04-30
Funding (in million HUF) 14.438
FTE (full time equivalent) 5.21
state closed project
Summary in Hungarian
Korszerű axiális átömlésű ventilátorok járókerekével kapcsolatos gyakori, egyidejűleg jelentkező elvárások: fokozott fajlagos teljesítmény – azaz előírt légtechnikai teljesítmény megvalósítása mérsékelt gépmérettel, fordulatszámmal és lapátszámmal –, valamint mérsékelt zajkibocsátás. E járókerekek gyakori méretezési módszere a sugár mentén növekvő lapátcirkulációra történő tervezés. A szakirodalmi ismeretek kiegészítése érdekében a projekt célja: a fokozott fajlagos teljesítményhez és a változó lapátcirkulációjú üzemállapothoz kötődő áramlási jelenségek zajkeltési mechanizmusainak vizsgálata. E jelenségek az alábbiakat foglalják magukban: a fokozott lapátterhelés miatt megvastagodott lapát-határréteg; a fokozott veszteségű közeg radiális kiáramlása és lapátcsúcs-közeli felgyülemlése; a sugár mentén változó lapátcirkuláció miatt a lapátról leúszó örvények. E tanulmányok révén irányvonalakat fogalmazunk meg a fokozott fajlagos teljesítmény megvalósítása és a ventilátorzaj csökkentése közötti ésszerű kompromisszum elérésére. A módszertan: számítási és mérési módszerek szisztematikus együttműködése, olyan korszerű eszközök bevonásával, mint a numerikus áramlástan és numerikus aero-akusztika (Computational Fluid Dynamics, CFD; Computational Aero-Acoustics, CAA), és a mikrofontömbös méréstechnika (Phased Array Microphone, PAM). A projekt meghonosítja a CAA és PAM technikákat az áramlástechnikai forgógépek alapkutatásában.
Summary
Modern axial flow turbofan rotors must often fulfil the following simultaneous demands: high specific performance – i.e. realization of prescribed aerodynamic performance with moderate size, speed, and blade count –, as well as moderate noise emission. Such rotors are frequently designed on the basis of the controlled vortex design (CVD) concept prescribing increasing blade circulation along the dominant part of span. As addition to the knowledge in the literature, the project aims at investigating the noise generation mechanisms of the special flow phenomena related to high specific performance and CVD. Such phenomena include: thickened blade boundary layer due to increased blade load; pronounced radial outward migration and near-tip accumulation of high-loss fluid; vortices shed from the blade due to spanwise changing circulation. Based on the studies, novel guidelines will be formulated for reasonable compromise between achieving high specific performance and reducing fan noise. The methodology relies on systematic collaboration of computational and experimental methods, involving state-of-the-art means such as Computational Fluid Dynamics and Computational Aero-Acoustics (CFD, CAA), and the Phased Array Microphone (PAM) measurement technique. The project will realize the domestication of techniques such as CAA and PAM in basic research related to turbomachinery.





 

Final report

 
Results in Hungarian
1) Az axiálventilátor-zajforrások lokalizálásának mérési eljárását kiegészítettük egy a belépő axiális sebességeloszlás mérésén alapuló vizsgálati módszerrel. Az így nyert kapcsolt akusztikai-áramlástechnikai vizsgálati eljárás lehetővé teszi beépített ventilátorok helyszíni diagnosztikáját. Általa esettanulmányban tártuk fel a járókerék-lapátozást jellemző hangnyomás és az aerodinamikai jellemzők sugár menti eloszlását, valamint ezek korrelációját. Ezzel megalapoztuk a ventilátorok áttervezhetőségét, a zajkibocsátás és a veszteség összehangolt mérséklése érdekében. 2) Módszert javasoltunk a sugár mentén növekvő lapátcirkuláció és az előrenyilazás tervezési összehangolására, az összhatásfok javítása érdekében. A módszer alapja a szívott oldali lapát-határréteg vastagodásának mérséklése, ami támogatja a széles sávú zaj mérséklését is. Esettanulmányokban szolgáltattunk számszerű példákat az elérhető hatásfok-javulásra, a zajcsökkentésre, a tervezési lapátterhelés célszerű fokozhatóságára. 3) Félempirikus modellt alkottunk hűtőventilátorok résáramlásának térfogatáramára vonatkozóan. Megállapítottuk, hogy létezik egy közbenső légrésméret, amely a résáramláson belül a legintenzívebb turbulenciát, és ez által a legerőteljesebb zajkibocsátást eredményezi. Zajforrásként azonosítottuk be, és esettanulmányokban számszerűsítettük a sugár mentén növekvő lapátcirkulációjú üzemállapothoz kötődő speciális áramlási jelenségeket, a lapátcsúcs közelében és a gyűrűfalaktól távolabb egyaránt.
Results in English
1) The experimentation used in localising axial fan noise sources was supplemented with an investigation method based on measuring the inlet axial velocity profile. The resultant coupled acoustic-aerodynamic investigation procedure makes possible the on-site diagnostics of built-in fans. With use of the procedure, the radial distributions of the sound pressure and the aerodynamic characteristics related to the blading, as well as their correlation, were explored in a case study. This forms a basis for fan redesign for tuned reduction of both fan noise and loss. 2) A method was proposed for harmonising the spanwise distribution of blade circulation and forward sweep in design, aiming at improving the total efficiency. The method is based on the moderation of thickening of the suction side boundary layer, supporting the moderation of the broadband noise as well. In case studies, quantitative examples were provided for the available efficiency gain, noise reduction, and purposeful limit for increasing the design blade load. 3) A semi-empirical model was elaborated for the volume flow rate of the leakage flow developing in cooling fans. An intermediate clearance size was found to exist for which most intense turbulence and thus, most intense noise emission is expected. Special flow phenomena related to spanwise increasing blade circulation were identified as noise sources, and were quantified in case studies, in the near-blade-tip zone as well as farther away from the endwalls.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=83807
Decision
Yes





 

List of publications

 
Tóth B: Axiális átömlésű ventilátor áramlástechnikai vizsgálata lapátrács-mérési adatok alapján, GÉP, Vol. LXV (2), pp. 50-53, 2014
Vad J: Correlation of flow path length to total pressure loss in diffuser flows, Proc. Institution of Mechanical Engineers – Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 225, pp. 481-496., 2011
Vad J, Horváth Cs, Lohász M M, Jesch D, Molnár L, Koscsó G, Nagy L, Dániel I, Gulyás A: Redesign of an electric motor cooling fan for reduction of fan noise and absorbed power, Proc. 11th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (ETC’11), Istanbul, Turkey, pp. 69-79., 2011
Benedek T: Mikrofontömbös akusztikai mérési módszerek a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékén, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 61-64., 2012
Berkó B, Nagy L: RAF-6E szárnyszegmens szívott oldali nyom mérése Lézer Doppler Anemométer és hődrót méréstechnikával az NPL szélcsatornában, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 65-68., 2012
Gulyás A, Nagy L: RAF-6E szárnyprofil nyomás vizsgálata a szárny körül, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 145-148., 2012
Nagy L: Szárny körüli turbulens áramlás numerikus szimulációja nyílt forráskódú és kereskedelmi szoftverrel, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 318-321., 2012
Vad J: Incorporation of forward blade sweep in preliminary controlled vortex design of axial flow rotors, Proc. Instn Mech. Engrs, Part A, J. Power and Energy, 226, pp. 462-478, 2012
Vad J: Forward blade sweep applied to low-speed axial fan rotors of controlled vortex design: an overview, ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Paper No. GTP-12-1152, 135, pp. 012601-1: 012601-9, 2012
Vad J: Forward blade sweep applied to low-speed axial fan rotors of controlled vortex design: an overview, Proc. 2012 ASME TURBO EXPO, Copenhagen, Denmark, ASME Paper GT2012-70103. (CD-ROM), 2012
Vad J, Horváth Cs: Study on the effects of axial clearance size on the operation of an axial flow electric motor cooling fan, 10th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (ETC10), Lappeenranta, Finland (elfogadva), 2013
Vad J: Correlation of flow path length to total pressure loss in diffuser flows, Proc. Institution of Mechanical Engineers – Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 225, pp. 481-496, 2011
Vad J, Horváth Cs, Lohász M M, Jesch D, Molnár L, Koscsó G, Nagy L, Dániel I, Gulyás A: Redesign of an electric motor cooling fan for reduction of fan noise and absorbed power, Proc. 11th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (ETC’11), Istanbul, Turkey, pp. 69-79, 2011
Benedek T: Mikrofontömbös akusztikai mérési módszerek a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékén, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 61-64, 2012
Berkó B, Nagy L: RAF-6E szárnyszegmens szívott oldali nyom mérése Lézer Doppler Anemométer és hődrót méréstechnikával az NPL szélcsatornában, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 65-68, 2012
Gulyás A, Nagy L: RAF-6E szárnyprofil nyomás vizsgálata a szárny körül, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 145-148, 2012
Nagy L: Szárny körüli turbulens áramlás numerikus szimulációja nyílt forráskódú és kereskedelmi szoftverrel, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2012, Kolozsvár, pp. 318-321, 2012
Vad J: Incorporation of forward blade sweep in preliminary controlled vortex design of axial flow rotors, Proc. Instn Mech. Engrs, Part A, J. Power and Energy, 226, pp. 462-478, 2012
Vad J: Forward blade sweep applied to low-speed axial fan rotors of controlled vortex design: an overview, ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Paper No. GTP-12-1152, 135, pp. 012601-1: 012601-9, 2013
Vad J, Horváth Cs: Study on the effects of axial clearance size on the operation of an axial flow electric motor cooling fan, 10th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (ETC10), Lappeenranta, Finland, pp. 543-552, 2013
Vad J: Energiahatékony axiális átömlésű ventilátor-járókerekek tervezése, Energiagazdálkodás, Vol. 53 (4), pp. 8-10, 2012
Vad J, Horváth Cs, Kovács J G: Aerodynamic and aero-acoustic improvement of electric motor cooling equipment, Proc. Institution of Mechanical Engineers – Part A: Journal of Power and Energy, 228, pp. 300-316, 2014
Benedek T, Tóth P: Beamforming measurements of an axial fan in an industrial environment, Periodica Polytechnica, Mechenical Engineering, Vol. 57 (2), pp. 37-46, 2013
Tóth P: Adaptív akusztikai forrásmodell mikrofontömb jelfeldolgozáshoz, GÉP, Vol. LXIV (3), pp. 21-25, 2013
Benedek T, Vad J: Concerted aerodynamic and acoustic diagnostics of an axial flow industrial fan, involving the phased array microphone technique, Proc. 2014 ASME TURBO EXPO, Düsseldorf, Germany, ASME Paper GT2014-25916. (CD-ROM), 2014
Horváth Cs, Envia E, Podboy G G: Limitations of phased array beamforming in open rotor noise source imaging, Proc. 19th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Berlin, Germany, pp. 1-10, 2013
Horváth Cs, Envia E, Podboy G G: Limitations of phased array beamforming in open rotor noise source imaging, AIAA JOURNAL, Vol. 52, DOI: 10.2514/1.J052952 (published online), 2014
Horváth Cs: Investigating counter-rotating open rotor noise sources from a broadband point of view, Proc. Berlin Beamforming Conference (BeBeC), Berlin, Germany, pp. 1-14, Paper BeBeC-2014-13, 2014
Vad J: Blade sweep applied to axial flow fan rotors of controlled vortex design (Lapátnyilazás alkalmazása sugár mentén növekvő lapátcirkulációra tervezett axiális átömlésű ventilátor-járókerekekre), MTA doktori értekezés (benyújtás éve: 2011, sikeres védés éve: 2013), 2013





 

Events of the project

 
2012-09-19 12:54:15
Résztvevők változása




Back »