Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5553
Main Title: Grenzschichtabsaugung zur Wirkungsgradsteigerung in einer Verdichterkaskade
Translated Title: Boundary layer suction for efficiency increase in a compressor cascade
Author(s): Liesner, Karsten
Advisor(s): Peitsch, Dieter
Referee(s): Peitsch, Dieter
Meyer, Robert
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In this thesis a set of experimental investigations accompanied by numerical simulations is presented on the method of boundary layer suction in a high speed compressor cascade. The test environment features a cascade of five NACA65-K48 stator vanes with aerodynamic design properties of Ma=0.67; Re=560 000 and an aspect ratio of t/c = 1. The investigations focus on secondary flow control and therefore increase of efficiency of the cascade. Two different design approaches of suction slots inside the passage are chosen and compared to suction upstream of the cascade entry. The suction slots are located in the side walls of the cascade only. The first approach follows the design of R.E. Peacock, where the suction slot is located in the corner of side wall and suction side of the vanes. It has been proven to eliminate corner separation in low speed environments already in the 1960s. The second approach has been designed in order to diminish the secondary flow itself by suction of the side wall boundary layer upstream of the separation line of the flow along the passage. The resulting suction slot cuts the side wall from suction to pressure side in the first half of the chord length. It is shown that both slot layouts are effectively able to reduce the total pressure loss of the compressor cascade and increase the static pressure rise downstream of the passage. It can be explained that for a given suction slot opening area the mass flow fraction that is drawn off, must exceed a certain value in order to avoid recirculation in the slot itself. High suction rates provide large pressure loss reduction. Total pressure reduction can be achieved in a wide range of incidence angles, with limitations at nearly separated conditions on the suction surface. In those regimes near the working range border further increase of the pressure rise and therefore pressure gradient lead to earlier separation of the flow and thus pressure loss increase. An efficiency calculation for a stator cascade with and without flow suction is defined and applied to the measurements. It can be shown that in wind tunnel investigations the efficiency cannot be increased by the suction if the suction pump power is included. In a real compressor with pressure generation the flow can be purged through the suction slots at no cost, the efficiency increases up to a maximum of 2%.
Die vorliegende Arbeit beschreibt experimentelle Messungen an einer Hochgeschwindigkeits-Verdichterkaskade, die von einigen numerischen Simulationen unterstützt werden. Thema der Untersuchungen ist die Beeinflussung von Sekundärströmung durch Grenzschichtabsaugung zur Wirkungsgradsteigerung. Untersucht wird eine NACA65-K48 Kaskade aus fünf Verdichterschaufeln mit Auslegungsmachzahl von Ma=0,67 und Re=560.000 bei einer Schaufelstreckung von t/c=1. Zwei verschiedene Ansätze zur Absaugung wurden ausgewählt, die auf unterschiedlichen Konzepten beruhen. Die erste Absauggeometrie folgt einem Entwurf von Peacock aus 1965, in dem ein Schlitz an dem Übergang von Schaufel zu Seitenwand eingebracht wird, mit dem Peacock bei sehr geringen Machzahlen eine vollständige Unterdrückung der Eckenablösung erreichte. Die zweite Geometrie verhindert ein Ablösen der Strömung auf der Seitenwand, in dem stromauf der Ablöselinie an der Seitenwand ein Schlitz von Druck- zu Saugseite eingebracht wird und durch die Absaugung die Grenzschicht neu entsteht und dadurch nicht zum Ablösen neigt. Beide untersuchten Konzepte sind in der Lage, die Sekundärströmung effektiv einzugrenzen und dadurch erhebliche Einsparungen im Totaldruckverlustbeiwert zu erzielen. Gleichzeitig wird in der Abströmung, durch die Verringerung der Einschnürung der Strömung wegen der Ablösegebiete, der statische Druckrückgewinn erhöht. Es kann gezeigt werden, dass bei gegebener Schlitzgeometrie ein gewisser Anteil des Gesamtmassenstromes entnommen werden muss, um eine Rezirkulation im Schlitz selbst zu vermeiden. Je größer die Absaugrate, desto größer fällt bei guter Schlitzauslegung die Reduktion des Druckverlustes aus. Messungen außerhalb der Zuströmung im Auslegungsfall zeigen, dass über einen weiten Bereich von Zuströmwinkeln ein positiver Effekt der Absaugung vorherrscht. Am Rand des Arbeitsbereiches, an dem die Strömung auf der Saugseite zum Ablösen tendiert, kann die Absaugung diese Ablösung sogar begünstigen, da durch die Anhebung des Gegendruckes der Druckgradient in Richtung Passagenaustritt steigt. Es wird weiterhin eine Definition für einen Wirkungsgrad in einer Statorstufe mit und ohne Absaugung vorgestellt, die erlaubt, die durch die Absauganlage verrichtete Arbeit zu berücksichtigen. Es zeigt sich, dass im Windkanal, wo externe Gebläse für die Absaugung eingesetzt werden, keine Verbesserung der Wirkungsgrade erreicht werden können. Im Verdichter mit Druckaufbau kann das Fluid ohne externe Energie abgeblasen werden, wodurch sich eine Steigerung im Wirkungsgrad um bis zu zwei Prozent einstellen kann.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5966
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5553
Exam Date: 13-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 1-Nov-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): compressor cascade
secondary flow
boundary layer suction
active flow control
Verdichtergitter
Sekundärstroemung
Grenzschichtabsaugung
aktive Stroemungsbeeinflussung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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