Vad är surge?

Som introduktion visar jag den här bilden, en kompressormap för en turbo. Massflöde på "x-axeln", tryckförhållande på "y-axeln".

Surgegränsen är "surge limit" i bilden. Hamnar "arbetspunken" till vänster om surgegränsen ska skumma saker ske, det ungefär det jag vet/hört. När det visslar om rallybilar surgar turbon. Det beror på att de har högt laddtryck och sedan släpper gasen så att flödet minskar mycket. Då flyttas arbetspunkten till vänster om surgelinjen. Med dumpventil slutar det vissla. Om inte själva dumpventilen visslar förstås, men såna dumpar har de nog inte på rallybilar.

Vad är surge, när uppkommer det och vad beror det på?
Det är något jag funderat på länge. Har fått några svar men inget tydligt.

Jag har "forskat" på området idag. Se bifogade bilden för resultatet.

För fem kompressorer har jag fyllt i fyllt i kompressorhjulets ytterdiameter samt varvtal vid surgelinjen vid olika tryckförhållanden. Den informationen kommer från respektive kompressormap. Sedan lät jag excel räkna ut periferihastigheten hos kompressorhjulet för de olika kompressorerna.

Som ni ser är periferihastigheten i princip konstant för de olika tryckförhållandena. Surge uppkommer alltså vid en viss hastighet och den beror i sin tur på tryckförhållandet. Jag ritade också ut hastigheten som funktion av tryckförhållandet. Kurvan liknar en rotenur-kurva. Hastigheten när surge uppstår verkar följa kurvan v = 365 * rotenur( PR - 1 ). Jag har funderat kring vad det kan bero på men inte kommer på något vettigt. Förutom just att -1 finns med. Är tryckförhållandet 1 så ska ju hastigheten vara 0. För stora kompressorer verkar hastigheten vara något lägre, vet inte vad det beror på heller.

Nu har jag fått reda på en liten del av min frågeställning, men samtidigt fått många fler frågor.
Vad har flödet med det hela att göra? två kompressorer med samma diameter kan flöda olika mycket. De får dock surge vid samma tryckförhållande och varvtal - men annat flöde. Hur ändrar man flödet en kompressor klarar av utan att ändra diameter. Bredden på skovlarna?
Ska turbo användas på små motorer verkar surgegränsen vara begränsningen; turbon kommer bara surga när den försöker ladda eftersom flödet är så litet. Kan en kompressor modifieras för att flytta surgegränsen åt vänster?

Det var några frågor, fler kommer nog senare

Är inte surge det samma som händer när en flygplansvinge eller propeller stallar? I så fall så är det när vinklen mot luften blir så stor så luften inte hinner följa ytan på lä-sidan på bladen, då slutar bladet flytta luft. Den kritiska vinkeln är mindre vid högre hastighet men kan ökas lite med rätt utformning på bladen

Bearing skrev:

Som introduktion visar jag den här bilden, en kompressormap för en turbo. Massflöde på "x-axeln", tryckförhållande på "y-axeln".

Klicka för att visa mer...

Flygplan hålls väl i luften tack vare tryckförhållandet över vingen, så det har nog sina likheter. När det även är hastighetsberoende verkar det ju ännu mer sannolikt att det är samma fenomen.

Enligt bosch automotive handbook är surge limit ett "minimum troughput".
Surge är definierat som som gränsen mellan stabil och instabil "operating range". Med ostabil menas att luften släpper från kompressorbladet vid inloppet till kompressorn vilket resulterar i att luft-massflödet bryts för att sedan fortsätta. Detta resulterar i en pumpande effekt.

Japp, jag vet, dålig svenska, men jag orkade inte göra någon seriös översättning =)

Alla är väll inte helt överens om vad som får ett flygplan att flyga men den normala förklaringen är att det högre luft-trycket som uppstår under vingen trycker upp planet mot det lägre trycket som uppstår på ovansidan. Ökar du anfallsvinklen för mycket så släpper luften på ovansidan och en massa små virvlar bildas istället, tydligen så minskar tryckskillnaden då för vingen slutar iallafall bära, det är alla överens om. Samma sak med en propeller, har du stor vinkel som kan flytta mycket luft så kan du inte varva så mycket innan den slutar dra planet, det är därför en propeller alltid har mindre vinkel vid spetsen, där hastigheten är hög, än vid roten.

Liten quote följer

Bearing skrev:

Flygplan hålls väl i luften tack vare tryckförhållandet över vingen, ds.

Klicka för att visa mer...

Så, för att flytta surgegränsen åt vänster ska vinkeln på kompressorhjulens blad minskas. Vad får det för effekt i övrigt?
Är det det enda sättet att flytta surgegränsen åt vänster?

Bearing skrev:

Så, för att flytta surgegränsen åt vänster ska vinkeln på kompressorhjulens blad minskas. Vad får det för effekt i övrigt?
Är det det enda sättet att flytta surgegränsen åt vänster?

Klicka för att visa mer...

Fast minskar du anfallsvinkeln på kompressorn kommer turbon att snurra fortare (eftersom den får mindre motstånd) och då kommer du närmre gränsen igen...
Effekten med miskad vinkel måste väl helt enkelt bli att du får ut minre pumpeffekt och turbon tappar i verkninsgrad, eller?

Borde ju funka, om inte varvet ökar för mycket, då behöver du större diameter oxå. Det hjälper oxå med smalare blad men det kanske blir svårt i en turbo..
Möjligen kan en turbulator oxå flytta surgegränsen åt vänster? Förmodligen är en pneumatisk bäst i detta fallet (man borrar små hål i bladet ungefär 2/3 från framkanten till hösta punkten) Läs om turbulatorer här http://www.mh-aerotools.de/airfoils/turbulat.htm

Bearing skrev:

Så, för att flytta surgegränsen åt vänster ska vinkeln på kompressorhjulens blad minskas. Vad får det för effekt i övrigt?
Är det det enda sättet att flytta surgegränsen åt vänster?

Klicka för att visa mer...

triple skrev:

Fast minskar du anfallsvinkeln på kompressorn kommer turbon att snurra fortare (eftersom den får mindre motstånd) och då kommer du närmre gränsen igen...
Effekten med miskad vinkel måste väl helt enkelt bli att du får ut minre pumpeffekt och turbon tappar i verkninsgrad, eller?

Klicka för att visa mer...

Turbokompressorn är ju en centrifugalkompressor till skillnad från propellern, så den vinkeln borde väl inte minska flödet så mycket? Flödet går ju radiellt.

Bearing skrev:

Turbokompressorn är ju en centrifugalkompressor till skillnad från propellern, så den vinkeln borde väl inte minska flödet så mycket? Flödet går ju radiellt.

Klicka för att visa mer...

upps, du har så rätt. jag = fel

jojje1963 skrev:

Möjligen kan en turbulator oxå flytta surgegränsen åt vänster? Förmodligen är en pneumatisk bäst i detta fallet (man borrar små hål i bladet ungefär 2/3 från framkanten till hösta punkten) Läs om turbulatorer här http://www.mh-aerotools.de/airfoils/turbulat.htm

Klicka för att visa mer...

Ja, det kanske kan funka. Används det på propellrar?

Inte vad jag vet, man kör väll mest med liten diameter och variabel pitch nuförtiden (om det ska gå fort) och då uppkommer inte problemet. Men jag tror dom använder det på rotorblad till helikoptrar. Ska fråga min pilot kompis i morgon, han älskar sånna här problem..

Bearing skrev:

Ja, det kanske kan funka. Används det på propellrar?

Klicka för att visa mer...

Surge...

Jodu, där finns det lite man kan fundera över. Det finns ett antal varianter på temat, eftersom det finns olika delar i kompressorn i vilket flödet kan kollapsa. Vanligast är egentligen stall, och precis som andra har varit inne på så är det att infallsvinkeln mot respektive blad i impellern blir för flack. Luften som åker in i kompressorn har bara en axiell hastighetskomposant, parallellt med axeln i turbon. Impellern med sin rotation far en radiell hastighet. Kombinerar man dessa hastighetskomposanter så får man en triangel som visar vilken vinkel luften egentligen åker in i kompressorn, dvs om du skulle stå på impellerbladet, vilken vinkel kommer då luften mot dig.

Den vinkeln avgör i mångt och mycket när kompressorn stallar.

När impellern stallar bildas ett backflöde mellan bladen i impellern, detta backflöde "Tar upp plats" där ingen "normalt flödande luft" kan komma igenom. Detta gör att resterande delar av impellern får ett högre massflöde = en lokalt högre axiell hastighet på luften (eftersom luften tar sig igenom ett "mindre hål"), detta förändrar i sin tur hastighetstriangeln, du får en brantare vinkel mot vingarna och de är jätteglada för det. Men på ett ställe i kompressorn stallar det. Tillslut funkar inte det heller, utan du får en systempump där backflödet tar upp allt uttrymme i impellern, den återhämtar sig, men åker in i surge igen. Frekvensen kan vara något i stil med varannan/var tredje sekund. Låter "woooiiiii-chösh-chösh-chösh... ...woooiii-chösh-chösh-chösh" etc.

Ett annat fall är att diffusorn inte orkar återhämta det dynamiska trycket till rent statiskt. På turbokompressorer sitter det en radiell diffusor med oftast konstant höjd på luftspalten. Diffusionen sker alltså på grund av att ju längre ut du kommer, radiellt, desto mer får luften expandera och sakta ned. Dvs luftpaketen konverterar då sin hastighet till ett högre statiskt tryck (Precis som Bernoulli konstaterar med vanliga rör). Anyway, ju högre tryckförhållande du försöker åstadkomma desto mer kinetisk energi måste du konvertera till statiskt tryck. Ju mindre massflöde du har desto "glesare" blir det mellan luftpaketen, och du löper risk att flödet "vänder" för att fylla upp detta "gap". Du får alltså ett backflöde i diffusorn.

En viss del av diffusionen i en turbokompressor sker i snäckan, så även där kan flödet haverera.

Kanske lite "Så funkar det" förklaring, men principerna och den grundläggande mekaniken funkar så.

Avseende att beräkna/approximera hur surgegränsen beter sig så är detta inte något man gör på sin miniräknare, excelblad eller dyligt. *Extremt* komplicerad CFD-analys kan ge vissa svar. I övrigt provar man sig fram.

/J

Btw, Bearing, har du läst kursen "Experimentell metodik" på KTH? Om du tar ditt PR-1 och sätter in det i ett log-log diagram så kan du se om exponenten säger något.

/J

RG500-Johannes skrev:

Surge...

...och precis som andra har varit inne på så är det att infallsvinkeln mot respektive blad i impellern blir för flack...

Klicka för att visa mer...

Är det inte tvärt om? För brant anfallsvinkel. Ingen profil har väl ännu stallat(aerodynamik) p g a för flack anfallsvinkel.

Bearing skrev:

Turbokompressorn är ju en centrifugalkompressor

Klicka för att visa mer...

Jag är helt nollställd. Var kan man läsa om en sådan tingest? Gärna en bild eller två.

/h

edit: Just "centrifugal" var jag ute efter. Innebörden i det.

#Olsson# skrev:

Är det inte tvärt om? För brant anfallsvinkel. Ingen profil har väl ännu stallat(aerodynamik) p g a för flack anfallsvinkel.

Klicka för att visa mer...

Mjo, men det beror lite vilken referens man har. Om du står på kompressorbladet (vilket är bilden jag ofta använder mig av om jag ska förstå hur kompressorn funkar) så är det just flack som gäller. Kommer luften brant uppifrån om du står på bladet så är det inget problem, kommer den flackt (som från horisonten från där du står) så är det värre. Men vi förstår nog varann, och ja, du tänker helt rätt -från där du står!

Jag är helt nollställd. Var kan man läsa om en sådan tingest? Gärna en bild eller två.

/h

edit: Just "centrifugal" var jag ute efter. Innebörden i det.

Klicka för att visa mer...

Centrifugalkompressor eller radialkompressor innebär att du "slungar" ut luften radiellt. Till skillnad från axialmaskiner som propellrar o.dyl.

/J

#Olsson# skrev:

Jag är helt nollställd. Var kan man läsa om en sådan tingest? Gärna en bild eller två.

/h

edit: Just "centrifugal" var jag ute efter. Innebörden i det.

Klicka för att visa mer...

Kanske gammalt ord egentligen, radialkompressor kallas det nog också. Luftströmmen går längs den linje som blir om man ritar in radien i en cirkel.

Man brukar ju tala om centrifugalkraften - den som gör att man slungas utåt när man åker karusell. Den kraften finns egentligen inte, kraften man känner beror på att kroppen strävar rakt fram men karusellen svänger hela tiden.
Samma sak blir det för luften i en centrifugal-/radialkompressor. Luften får fart av bladen i kompressorn men kan inte åka rakt fram utan skjuts istället utåt.

Hittade bara en dålig bild

Kompressorhjulet längst upp och kompressorhuset nere till vänster.

Bearing skrev:

Hittade bara en dålig bild

Klicka för att visa mer...

Ja, fyyy faan vilken hemsk kompressor!! Kan bara hålla med...

(impellerdesignen ser ut att härstamma från tiden man gjorde upp eld med pinnar)

EDIT: Men kanske rätt bra i pedagogiskt syfte iof. Man ser tydligt rakt radiella vingar... Eloge till Bearing; dina inlägg har djupare avsikter än vad som inledningsvis möter ögat! /EDIT

/J

RG500-Johannes skrev:

Mjo, men det beror lite vilken referens man har. Om du står på kompressorbladet (vilket är bilden jag ofta använder mig av om jag ska förstå hur kompressorn funkar) så är det just flack som gäller. Kommer luften brant uppifrån om du står på bladet så är det inget problem, kommer den flackt (som från horisonten från där du står) så är det värre. Men vi förstår nog varann, och ja, du tänker helt rätt -från där du står!

Klicka för att visa mer...

Aaaa, OK

RG500-Johannes skrev:

Centrifugalkompressor eller radialkompressor innebär att du "slungar" ut luften radiellt. Till skillnad från axialmaskiner som propellrar o.dyl.

/J

Klicka för att visa mer...

Men de båda typerna jobbar väl enligt samma aerodynamiska principer som vilken "vinge" som helst och inom ett spann med några graders anfallsvinkel (eller så)? Bara att luften tappas på olika ställen för resp typ?

Eller sitter utloppet i höjd med "snurran" på radialkompressor och luften slungas ut mer eller mindre genom principen spade/skyfla? (kan inte uttrycka det bättre än så

/h

#Olsson# skrev:

Men de båda typerna jobbar väl enligt samma aerodynamiska principer som vilken "vinge" som helst och inom ett spann med några graders anfallsvinkel (eller så)? Bara att luften tappas på olika ställen för resp typ?

Klicka för att visa mer...

Nja, impellern klarar av en hel del i vinkelförändring. Betydligt mer än en vinge. Men principen är densamma.

Eller sitter utloppet i höjd med "snurran" på radialkompressor och luften slungas ut mer eller mindre genom principen spade/skyfla? (kan inte uttrycka det bättre än så

/h

Klicka för att visa mer...

Mmm, man kan dela upp impellern i två delar egentligen. Först indusorn som fungerar rent axiellt och sedan diameterökningen till exdusorn som leder om luften 90 grader så att den skyfflas ut radiellt. Du kan ha en impeller som bara är en exdusor, men då är den hopplöst ineffektiv då det enda den gör är att skapa ett flöde genom (den fiktiva) centrifugalkraften. Det är mycket fördelaktigare att skapa rörelseenergi genom ett axiellt parti först och sedan ha en mjuk kurva utåt (navet på impellern ökar också i diameter).

Sedan finns det mycket fördjupningar man kan göra inom ämnet; ha klart för er att jag är en glad amatör inom ämnet design av kompressorer.

/J

Tappade motivationen, nu är den förhoppningsvis tillbaka. Tack för ditt svar Johannes. Du beskrev det bra; jag har bara en fråga.

RG500-Johannes skrev:

När impellern stallar bildas ett backflöde mellan bladen i impellern, detta backflöde "Tar upp plats" där ingen "normalt flödande luft" kan komma igenom. Detta gör att resterande delar av impellern får ett högre massflöde = en lokalt högre axiell hastighet på luften (eftersom luften tar sig igenom ett "mindre hål"), detta förändrar i sin tur hastighetstriangeln, du får en brantare vinkel mot vingarna och de är jätteglada för det. Men på ett ställe i kompressorn stallar det.

Klicka för att visa mer...

Tillslut funkar inte det heller, utan du får en systempump där backflödet tar upp allt uttrymme i impellern, den återhämtar sig, men åker in i surge igen. Frekvensen kan vara något i stil med varannan/var tredje sekund. Låter "woooiiiii-chösh-chösh-chösh... ...woooiii-chösh-chösh-chösh" etc.

Klicka för att visa mer...

Menar du att dessa två saker sker vid samma driftpunkt (el. varvtal) eller kan kompressorn "överleva" i den situation du beskriver först och endast förvärras till det du beskriver om massflödet minskar mer?

Btw, Bearing, har du läst kursen "Experimentell metodik" på KTH? Om du tar ditt PR-1 och sätter in det i ett log-log diagram så kan du se om exponenten säger något.

Klicka för att visa mer...

Nej, har inte läst den. Har inte sett att den kursen finns, så de kanske har slutat med den. Jag har ändå lärt mig Log-log metoden. Vi använde den i en mekaniklabb med Rickard.
Nedan är log-log-diagramet. Exponenten ligger runt 0,5 men sjunker stadigt med ökande kompressorstorlek vilket nu får mig att tvivla på att det finns ett samband mellan rotenurkurvan och surgegränsen. Om värdena hade legat slumpvis spridda kring 0,5 hade jag kanske antagit att det berott på mätnogrannheten och ansett 0,5 stämma.