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Main Title: Stabilität des stehenden Ringgitters
Translated Title: Stability of the Circular Cascade
Author(s): Ulbricht, Iris
Advisor(s): Hourmouziadis, Jean
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Zur Untersuchung der instationären Strömungsmuster im Verdichtergitter wurde ein axialer Verdichterringgitterkanal ausgelegt, konstruiert und aufgebaut. Hierbei war besonders die Generierung und Untersuchung von rotierenden Strukturen von Interesse. Die Messungen wurden im wesentlichen mit piezoresistiven Druckaufnehmern durchgeführt. Die Auswertungen fanden im Frequenzbereich statt. Darüber hinaus wurden in einigen Betriebspunkten Anstrichvisualisierungen durchgeführt, um das dreidimensionale, stationäre Strömungsfeld in der Ringgittermeßstrecke zu untersuchen. Es gelang, am Ringgitter verschiedene aus der Maschine bekannte Instabilitätsphänomene zu erzeugen und zu vermessen. Die Phänomene traten in Abhängigkeit von der Anstellung und der Reynoldszahl auf und waren jeweils auf einen charakteristischen Anstellwinkelbereich beschränkt. Einerseits wurden Anlagenresonanzen der Meßstrecke und der Anbauten beobachtet. Diese traten sowohl axial als auch in Umfangsrichtung auf. Andererseits wurden Druckschwankungen gemessen, die auf aerodynamische Instabilitätsphänomene schließen ließen. Bei erhöhter Anstellung konnten am Ringgitter die aus Maschinen mit großen Spaltweiten bekannten rotierenden Instabilitäten beobachtet werden. Unter rotierenden Instabilitäten stellt man sich eine umlaufende Quelle für Druckschwankungen vor. Das gemessene Drucksignal ist moduliert im Gegensatz zum typischen der bekannteren rotierenden Ablösung. Denn unter rotierender Ablösung versteht man im allgemeinen lediglich eine rotierende Verblockung. Für sehr hohe Anstellungen konnten am Ringgitter die aus der Maschine bekannten Spinning modes beobachtet werden. Bei diesem Instabilitätsphänomen regt eine aerodynamische Quellfrequenz einen Umfangsmode des Ringkanals an. Im Resonanzfall werden die Amplituden der Systemantwort sehr groß und können daher die aerodynamische Quelle, zum Beispiel eine Wirbelablösung von den Schaufelhinterkanten, beeinflussen. Es wird ein vermeintlich umlaufendes Signal beobachtet, da die Strömung in Umfangsrichtung phasenversetzt von den Schaufeln ablöst. Die Kopplung von Aerodynamik und Akustik kann zu hohen Lärmpegeln und bei schlechter dynamischer Auslegung zu Schaufelbrüchen führen. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals rotierende Instabilitäten in einem stehenden Gitter beobachtet und untersucht. Die rotierenden Instabilitäten gehen wie im Rotor mit einem Ablösen der Nabengrenzschicht einher. Die Ablöselinie ist im stationären Strömungsfeld nachweisbar und befindet sich beim untersuchten Ringgitter auf der Nabenwand etwa eine Viertel Sehnenlänge vor den Schaufelvorderkanten. Bereits im stationären Strömungsfeld konnte ein Transportmechanismus in Umfangsrichtung nachgewiesen werden. Spinning modes wurden zwar bereits an Statoren von Verdichter- bzw. Ventilatorstufen beobachtet, aber in der vorliegenden Arbeit wird erstmals der Nachweis erbracht, daß sie auch an einem isolierten, stehenden Gitter auftreten. Darüber hinaus wurden erstmals rotierende Instabilitäten an einem Stator eines einstufigen realen Verdichters gemessen.
For an experimental investigation of unsteady flow patterns in compressor blade rows an axial compressor stator test rig was designed and built. Generation of rotating structures was of particular interest. Measurements were performed mainly with piezoresistive pressure transducers. All signal analysis was performed in the frequency domain. Additionally flow visualisations were performed for some operation points to get an impression of the three-dimensional steady flow-field in the circular compressor cascade. A number of rotating flow structures, which are well known from compressor rotors in actual machines, were created successfully. The phenomena were measured and analysed using the method described above. Instability phenomena showed up dependant on Reynolds number and incidence and were restricted to a limited incidence range. The measured pressure fluctuations contained components caused by flow instabilities and by resonance with the annular duct, the settling chamber, and the tube connections. Both components were observed propagating axially as well as in circumferential direction. For high incidences so-called rotating instabilities known from compressor rotors with large tip clearances could be observed. These are usually understood as a rotating source for pressure fluctuations. Thus the measured signal is frequency-modulated, as opposed to the common rotating stall signal. Rotating stall is usually understood as a rotating blockage, so the measured signal contains only one frequency. At very large incidences spinning modes appeared. Spinning modes are formed by a combination of unsteady aerodynamics and acoustics. Aerodynamic periodic pressure fluctuations, e. g. caused by periodic boundary layer separation, excite a circumferential eigenmode of the duct. The system s acoustic answer may influence the aerodynamic source. If there is resonance, the amplitude of the pressure fluctuations increases dramatically, resulting in both noise and mechanical stresses. A static observer will see an apparently rotating signal whose rotational speed is faster than the speed of sound. Both rotating instabilities and spinning modes potentially cause problems in actual machines that may lead to severe blade damage. This thesis describes the first observation and investigation of so-called rotating instability in a static system. The rotating instabilities observed are accompanied by a separation of the hub boundary layer. The separation line was visualised for the steady flow field and shows up for the blade row investigated at about ¼ of cord length in front of the blades leading edges. Using oil flow visualisations of the steady flow field, a transport mechanism in circumferential direction could be shown. Also for the first time rotating instabilities that occurred in a single stage laboratory compressor s stator were investigated. Spinning modes have been observed in compressor and ventilator stators earlier. This thesis describes for the first time the occurrence of spinning modes in an isolated compressor stator.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-3141
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/709
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-412
Exam Date: 9-Nov-2001
Issue Date: 12-Jun-2002
Date Available: 12-Jun-2002
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aerodynamik
Ex
Kaskade
Kompressor
Piezoresistive Druckaufnehmer
Pumpen
Ringgitter
Rotiernende Ablösung
Stabilität
Turbomaschine
Verdichter
Aerodynamics
Annular cascade
Circular cascade
Compressor
Exp
Piezoresistive pressure transducer
Rotating stall
Stability
Surge
Turbomachinery
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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