Implementation of the FRAPP ( fast response aerodynamic pressure probe ) on industrial centrifugal compressors

A cylindrical fast-response pressure probes for unsteady flow measurements in turbomachinery have been designed and tested. Commercially available miniaturized pressure sensors have been used to ensure high reliability and low manufacturing costs. Analytical and numerical models have been applied to the design of the line-cavity system connecting the pressure tap and the (encapsulated) sensor, to improve the dynamic behaviour of the probes. Dynamic calibrations in a low-pressure shock tube have also been carried out to determine the probe transfer function and to extend the probe operating range beyond the resonance frequency of the line-cavity system. Unsteady flow field measurements of both static and total pressure, and discharge angle have been carried out downstream of an industrial centrifugal impeller . Phase-resolved measurements were performed using the cylindrical single sensor fast response aerodynamic pressure probe (FRAPP) traversing and rotating from the impeller hub to the shroud. Since FRAPP operates as a virtual three-hole probe, it was possible to obtain a detailed bi-dimensional reconstruction of the flow field. An experimental campaign was conducted on a closed loop rotating rig at GE Oil & Gas Nuovo Pignone in Florence, where a multi-stage compressor was replicated using a pseudo-stage just upstream of the impeller to be tested, which was purposely designed for Oil & Gas applications. By varying the flow coefficient along a speed line, flow field modifications with pressure ratio variations were highlighted and analyzed in detail. The results were acquired by varying the Mach number and flow coefficient. First, by varying the flow coefficient for every Mach, the mass-weighted profiles were obtained in terms of total pressure ratio and yaw angle (i.e., the angle in the plane normal to the probe); subsequently, for each Mach number the evolution hub-to-shroud of the static and total pressure ratios, Mach number and yaw angle, were plotted by varying the flow coefficient. The typical pulsating behavior of centrifugal impellers, also known as the Jet & Wake, has been analyzed and verified with the aid of the fluidodynamic variables. By comparing the results obtained from the FRAPP with the pneumatic 5-hole probe, it will be calculated the errors between the two measurement techniques. Later, 2-D maps of total and static pressure ratios, and Mach absolute and relative yaw angle by varying the flow coefficient are plotted. These variables were then used to derive the qualitative evolution of the turbulent kinetic energy two-dimensional maps. A very good agreement is found between the different measurement techniques from the qualitative point of view and a good agreement is also achieved in quantitative terms.

Per potere affrontare misure non stazionarie del flusso all’interno delle turbomacchine, è stata progettata e testata una sonda cilindrica ad elevata risposta in frequenza. Sono stati utilizzati dei sensori di pressione miniaturizzati disponibili in commercio per poter garantire alta affidabilità e bassi costi. Inoltre, sono stati applicati dei modelli analitici e numerici utili ai fini della progettazione del sistema line-cavity che collega la presa di pressione al sensore, incapsulato, per migliorare il comportamento dinamico della sonda. Alcune tarature dinamiche in un tubo d'urto a bassa pressione sono state necessarie per determinare la funzione di trasferimento della sonda e per estendere il campo di applicazione della sonda oltre la frequenza di risonanza del sistema line-cavity. Le misure del campo di moto a valle della girante del compressore centrifugo sono state effettuate in termini di pressione statica e totale e di angolo di yaw. Le misure, risolte rispetto alla posizione angolare della girante (fase palare), sono state effettuate usando una sonda ad elevata risposta in frequenza (FRAPP): la sonda è stata movimentata in senso assiale lungo il canale palare. Dato che la FRAPP opera come una sonda virtuale a tre fori, è stato possibile ottenere una ricostruzione bidimensionale dettagliata del campo di moto. La campagna sperimentale è stata condotta su un impianto di compressore centrifugo a circuito chiuso presso la GE Oil & Gas-Nuovo Pignone a Firenze, dove è stato replicato un compressore multi-stadio utilizzando una pseudo-fase a monte dell’impeller. I risultati sono stati acquisiti variando il numero di Mach e il coefficiente di flusso. Dapprima, variando il coefficiente di flusso per ogni Mach, sono stati ottenuti i profili mediati in massa dei rapporti pressione totale e angolo di yaw (i.e., l'angolo nel piano normale all'asse della sonda); successivamente, per ogni Mach, si è plottato l’andamento hub-to-shroud dei rapporti di pressione totale e statica, numero di Mach e angolo di yaw, al variare del coefficiente di flusso. Il comportamento pulsante tipico di giranti centrifughe, noto anche come il fenomeno Jet & Wake, è stato analizzato e verificato grazie all’ausilio dei profili delle grandezze fluidodinamiche. Confrontando i risultati ottenuti dalla FRAPP con la sonda pneumatica 5-fori, si è potuto ricavare l’andamento dell’errore tra le due tecniche di misura. Successivamente sono state realizzate delle mappe 2-D di rapporti di pressione totale e statica, Mach e angolo di yaw assoluto e relativo al variare del coefficiente di flusso. Le suddette grandezze sono state poi usate per ricavare l’andamento qualitativo dell’energia cinetica turbolenta in termini di mappe bidimensionali. Si può rilevare un ottimo accordo tra le diverse tecniche di misura sia dal punto di vista qualitativo che in termini quantitativi.