Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5620
Main Title: Experimentelle Untersuchung von Sekundärströmungsphänomenen in einer Verdichter-Stator-Kaskade
Translated Title: Experimental investigation of secondary flow phenomena in a comressor stator cascade
Author(s): Beselt, Christian
Advisor(s): Peitsch, Dieter
Referee(s): Peitsch, Dieter
Lawerenz, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung von effizienten und emissionsarmen Triebwerken ist die Entwicklung moderner und leistungsstarker Hochdruckverdichter mit höheren Stufendruckverhältnissen und verbesserten Wirkungsgraden. Begrenzend auf diese Entwicklung wirkt sich vor allem die mit dieser Entwicklung einhergehende sinkende Stabilität der Verdichter aus. Eine Möglichkeit dennoch einen Verdichter stabil zu betreiben ist es, einen entsprechend großen Sicherheitsabstand zur sogenannten „Pumpgrenze“ einzuhalten, wie es auch in der aktuellen Auslegung moderner Verdichter gemacht wird. Diese Methode widerspricht allerdings dem Ziel Verdichter mit höheren Wirkungsgraden zu entwickeln. Denn gerade in der Nähe der „Pumpgrenze“ sind meist die besten Wirkungsgrade zu erreichen. Eine Möglichkeit, mit der die Zielsetzung der modernen Verdichter erreicht werden kann, ist die Verbesserung der Detailkenntnisse über die Sekundärströmungen in einer Verdichterpassage. Mit diesen Kenntnissen kann somit schon in der Entwicklungsphase eines Verdichters der Abstand zur Pumpgrenze besser überprüft und instabile Betriebszustände im Vorfeld detektiert werden. Weiterhin können Verluste reduziert und somit die Effizienz gesteigert und das Stufendruckverhältnis erhöht werden. Ein weiterer Aspekt, welcher mit einer verbesserten Kenntnis der Sekundärströmungsstrukturen in Betracht gezogen werden kann, ist das bessere Verständnis der Lärmemissionen eines Verdichters. Denn ein Großteil der Lärmemissionen entsteht durch die Wechselwirkungen von instationären strömungsmechanischen und aeroakustischen Mechanismen. In bisherigen experimentellen Arbeiten zu dieser Thematik konzentrierten sich die Autoren vornehmlich auf eine spezielle Sekundärströmungsstruktur und ließen die Interaktion der verschiedenen Strukturen untereinander außen vor. Weiterhin wurde der Großteil der Untersuchungen an linearen Kaskaden durchgeführt, wodurch einige Randbedingungen, wie sie in realen Verdichtern auftreten, völlig außer acht gelassen werden. Diese Arbeit nimmt nun die bereits in dieser Thematik existierenden Ergebnisse auf und legt den Schwerpunkt zum einen auf die detaillierte Untersuchung der Sekundärströmungsstrukturen in einer Passage eines Verdichter-Stators. Die Fragestellung, in welcher Weise die einzelnen Sekundärströmungsstrukturen miteinander interagieren und wie sich diese Interaktionen mit sich ändernder Schaufelbelastung verändern, wird beantwortet. Darüber hinaus wird ein Model basierend auf den detaillierten Ergebnissen entwickelt.
A key technology for the development of efficient and low-emission engines is the development of modern and efficient high pressure compressors with higher stage loading and improved efficiencies. A limiting factor for this is the decreasing stability which is accompanied with this development. A possibility to operate a compressor nevertheless in stable conditions is to keep a correspondingly large safety margin to the surge line, as done in the current design process of modern compressor. However, this method is contrary to the objective to develop compressors with higher efficiencies. Because mostly it is precisely near the surge line where the best efficiencies can be achieved. One way in which the objective of modern compressor designs can be achieved is to improve the detail knowledge of the secondary flows in a compressor passage. With this knowledge already in the development phase of a compressor the surge margin and unstable operating conditions can be verified and detected in advance. Furthermore, losses can be reduced and therefore the efficiency and the stage pressure ratio can be increased. Another aspect that can be taken into account with an improved knowledge of the secondary flow structures, is the increased understanding of the noise emitted by a compressor. Because the majority of the noise is generated by the interaction of unsteady fluid mechanics and aero-acoustic mechanisms. In recent experimental work on this subject, the authors focused primarily on a specific secondary flow structure and neglected the interaction of various structures with each other. Furthermore, the majority of studies was performed on linear cascades, leading to the fact, that some boundary conditions as they occur in real compressors are completely ignored. This thesis is now taking up the existing results in this subject and focuses on a detailed study of the secondary flow structures in a passage of a compressor stator. The questions, in what manner the individual secondary flow structures interact with each other and how these interactions change with varying blade loading are answered. In addition, a model is worked out based on detailed results.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6036
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5620
Exam Date: 31-Mar-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 13-Dec-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Verdichter
rotierende Instabilität
Sekundärströmung
experimentell
Ringgitter
compressor
rotating instability
secondary flow
experimental
annular compressor cascade
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Notes: Printversion unter ISBN 978-3-7418-5540-5 veröffentlicht.
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