Numerical analysis and experimental validation of models for internal leakage phenomena in sliding-vane compressors and expanders

The present work has been developed thanks to the consolidated cooperation between Politecnico di Milano and Ing. Enea Mattei S.p.A. and shows a numerical and experimental study on the phenomena of internal leakages in sliding vane compressors and expanders. The aim of this study was to update the thermodynamic model implemented in the simulation design tool SVEC designed by Mattei R&D department on Matlab® improving its accuracy. The code has been developed following a comprehensive model approach and through its sub-functions is able to predict the main performances of sliding vane machines. The leakage mass flow rate through the main clearance paths (rotor- stator, rotor-end-plates and vane- end-plates) could be predicted. Two new models have been implemented for the leakage via rotor-end-plates (Poiselle & Ishii). Moreover, the already implemented Badr model has been integrated with two new boundary conditions to improve its reliability. In oil-flooded machines as sliding-vane compressors are, the working fluid is a two-phase mixture, thus the flow pattern present in the gap influences fluid properties. The specific characteristics of the leakage fluid as it passes through the leakage paths are unknown. A widespread assumption is to consider the mixture as a homogenous flow, being the two-phase flow a bubbly flow. Dukler, Awad and Maxwell mean two-phase bulk properties models has been taken into account. An experimental campaign involving three compressors and one ORC expander has been performed to select the best model combinations able to predict with a reasonable threshold the experimental results. Several criteria have been defined to evaluate the performance of the code using different leakage models and viscosity correlations. The most suitable viscosity model resulted to be the one proposed by Awad for compressors and the Dukler’s one for expanders. The leakage models adopted were Poiselle-Couette for paths 1 & 3 and Poiselle for path 2. The root mean square error in the case of compressors was lower than 2.7%, while for the ORC expander the error was 8.25% when using the ideal model. Some applications of the new release of SVEC are reported, showing how the code could be used during the design phase of a new machine layout and as a support in custom projects, in which it is necessary to assess the feasibility of new operating conditions. A large set of experimental data coming from the whole range of Mattei compressors (small -mid – large machines) tested at nominal conditions has been used to assess the accuracy of the code in predicting the main performance indexes. The average root mean square error in forecasting the volumetric flow rate and shaft mechanical power of the machines considered is, respectively, 2% and 7%.

Questo lavoro presenta uno studio numerico e sperimentale riguardante i fenomeni di trafilamento in compressori ed espansori a palette, in collaborazione con Ing.Enea Mattei. Lo studio si è concentrato sul miglioramento del preesistente modello termodinamico implementato in SVEC (Sliding Vane Efficiency Compressor), il tool numerico di simulazione utilizzato dall’azienda e sviluppato in ambiente Matlab . Il nuovo modello è in grado di predire i trafilamenti di olio lubrificante e fluido di lavoro attraverso i principali giochi meccanici (rotore-statore, rotore-coperchi e paletta- coperchi). Per quanto riguarda il trafilamento rotore-coperchi due nuovi modelli sono stati selezionati e implementati (Poiselle - Ishii), inoltre il precedente modello di Badr è stato integrato con due nuove condizioni al contorno per migliorarne l’accuratezza. Il fluido di lavoro all’interno dei compressori è una miscela bi-fase di aria e olio le cui proprietà possono essere calcolate considerando la miscela come un flusso omogeneo. Essendo il modello di flusso simile nei tre trafilamenti individuati, è necessario utilizzare un unico modello di viscosità, a differenza del modello precedente in cui tre differenti modelli di viscosità erano stati adottati (Dukler, Awad e Maxwell). È stata condotta una campagna sperimentale che ha coinvolto tre compressori (M215, M170K, XT65) e un espansore ORC (M100A) per selezionare le migliori combinazioni di modelli in grado di predire i risultati sperimentali. Adottando una procedura di selezione multi-criterio, la combinazione migliore sia per compressori ed espansori risulta essere: Poiselle-Couette per i giochi rotore-statore e paletta- coperchi e Poiselle per il gioco rotore-coperchi. Il modello di viscosità più adatto è risultato essere quello proposto da Awad per i compressori e quello di Dukler per gli espansori. L’errore medio riscontrato nei tre compressori è stato ridotto rispettivamente a 0.21%, 1.1% e 5.73%, rispetto ai precedenti 0.25%, 2.52% e 6.17%, mentre per l’espansore ORC l’errore è stato ridotto del 33%. Per valutare l’accuratezza del codice è stato inoltre utilizzato un ampio set di dati sperimentali provenienti dall’intera gamma di compressori Mattei testati alle condizioni nominali. L’errore quadratico medio nella stima della portata volumetrica e della potenza meccanica delle macchine considerate è, rispettivamente, 2 % e 7 %.