Numerical investigation of the lean, bow and tip clearance effects in a centrifugal compressor impeller

This work proposes a detailed numerical description of the flow field sensibility to lean, bow and tip clearance variation throughout an industrial centrifugal impeller. The blade geometry was modelled starting from a real compressor in use at Laboratory of Fluid Machines of Politecnico di Milano. Two inlet lean angles (σ=±10 °), two inlet bow angles (λ=±10 °) and three clearance values (δ=0,0.2,0.8 mm) were applied to the reference blade (σ=λ=0 °,δ=0.5 mm), then steady-state CFD simulations of the obtained configurations were performed at six different operating points (near-surge, nominal and near-choke conditions at 18000 rpm and 12500 rpm) and experimental results from previous studies on the machine were used to validate the numerical setup. Leaned and bowed blades inclination with respect to end-walls turns out to have important effects on pressure distribution in the secondary planes, leading to spanwise pressure gradients that interact with centrifugal field, streamwise vorticity and leakage. Tip clearance variation affects the pressure field too, but mainly it influences leakage flows, as predictable. In particular the clearance efficiency losses are found to be dependent on the clearance - trailing edge blade span ratio (almost linearly), operating condition and rotational speed, therefore a statistical correlation among these variables is provided on the basis of the numerical results.

Questo lavoro consiste in una dettagliata analisi numerica degli effetti dovuti a lean, bow e variazione del gioco all’apice sulla fluidodinamica di una girante centrifuga di tipo industriale. La geometria delle pale è stata sagomata sulla base di una macchina reale, operante all’interno del Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano. Due angoli di lean (σ=±10 °), due angoli di bow (λ=±10 °) e tre giochi radiali all’apice (δ=0,0.2,0.8 mm) sono stati applicati alla geometria di riferimento (σ=λ=0 °,δ=0.5 mm), poi le configurazioni ottenute sono state oggetto di analisi CFD stazionarie per sei diverse condizioni operative (portata minima, nominale e massima a 18000 rpm e a 12500 rpm) e i risultati relativi a precedenti campagne sperimentali sulla macchina sono stati usati per validare il modello numerico. L’inclinazione delle pale leaned e bowed rispetto alla parete di base e alla cassa si è rivelata determinante nella definizione della distribuzione di pressione nel piano secondario, poiché genera gradienti di pressione in direzione radiale che vanno a interagire con il campo centrifugo, la vorticità in direzione streamwise e la portata di trafilamento. La variazione di gioco agisce anch’essa sul campo di pressione, ma principalmente influenza il trafilamento, come prevedibile. In particolare le perdite di rendimento legate al gioco evidenziano una dipendenza dal rapporto gioco - altezza di pala allo scarico (circa lineare), dalla condizione operativa e dalla velocità di rotazione, di conseguenza una correlazione statistica tra queste grandezze è stata sviluppata sulla base dei risultati numerici ottenuti.