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Main Title: Learning control algorithms for an unsteady stator vane flow field
Translated Title: Lernende Regelalgorithmen zur Kontrolle einer instationären Statorströmung
Author(s): Steinberg, Simon Johannes
Advisor(s): King, Rudibert
Referee(s): King, Rudibert
Williams, Dave R.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis contributes to the field of active flow control of aerodynamically highly loaded compressors. In particular, the periodically disturbed and thus unsteady flow field of an experimental, rectilinear compressor stator cascade with multiple active flow control devices is subject of the investigation. Researching such a configuration is the conclusive step to recent research activities aiming at the development of gas turbines that employ a detonative combustion process. This new generation of gas turbines has the potential to yield a significant increase in combustion efficiency. The experimental set-up considered in this thesis was designed to elucidate the combustion chamber-compressor interaction of such a pulse detonation engine and to study the effectiveness of different active flow control strategies. The compressor cascade consisted of seven stator vanes forming six flow passages with a 60° net turning angle operating at an inlet Reynolds number of Re = 600000 and inlet Mach number of Ma = 0.07. A series of rotatable flaps located downstream of the trailing edges of the stator vanes emulated the effect of the closing combustion tubes of a pulse detonation combustion chamber on the passage flow of the last compressor stage. To counteract the detrimental effect of the disturbance generator, i.e., an increased, oscillating adverse pressure gradient leading to dynamically enlarged regions of flow separation, the cascade was equipped with sidewall and blade actuators. By injecting pulsed jets of pressurized air into the passage flow, the actuation system re-energizes the low-momentum endwall and blade suction surface boundary layer fluid which yields a global mitigation of flow separation and prejudicial secondary cross-flow effects. The impact of the disturbance generator and the actuation system on the passage flow was studied by means of spatially- and time-resolved measurements of both the pressure coefficient distribution on the suction and pressure surface of the central stator vane as well as five-hole probe measurements in the wake of the central flow passage. Different closed-loop control approaches, which generally require the determination of the current state of the flow field in real-time, were investigated for the adjustment of the actuation amplitude to the current flow situation, where the emphasis was kept on optimal control algorithms. To capitalize on the periodic nature of the process, different learning control strategies (Q-ILC, H-infinity-ILC, and RMPC) were pursued and compared to conventional closed-loop (MPC) and open-loop control (without feedback) approaches. The different approaches are compared by analyzing their impact on the dynamic and time averaged cp-distribution, static pressure rise coefficient, total pressure loss coefficient, and efficiency.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Forschungsbeitrag auf dem Gebiet der aktiven Kontrolle der Strömungsfelder aerodynamisch hochbelasteter Verdichter. Gegenstand der Untersuchungen ist das periodisch gestörte und somit instationäre Strömungsfeld einer experimentellen, linearen Verdichterkaskade. Der Versuchsaufbau ist mit verschiedenen Systemen zur aktiven Strömungskontrolle ausgestattet ist. Die Untersuchungen schließen an kürzlich verschienene Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der effizienzsteigernden, detonativen Verbrennung an. Der in dieser Arbeit betrachtete experimentelle Aufbau wurde speziell entwickelt um die Interaktion zwischen Verdichter und Brennkammer einer Gasturbine mit detonativem Verbrennungskonzept näher zu beleuchten und um die Wirksamkeit verschiedener Ansätze zur aktiven Strömungskontrolle zu untersuchen. Die hier betrachtete Verdichterkaskade besteht aus sieben Statorschaufeln, welche sechs Strömungspassagen mit einem Umlenkwinkel von 60 bilden. Die Kaskade wird bei einer Reynolds Zahl von Re = 600000 und einer Mach Zahl von Ma = 0,07 am Einlass betrieben. Eine Reihe von drehbar gelagerten Klappen, welche sich stromab der Schaufelhinterkanten befinden, bilden den Einfluss der sich schließenden Verbrennungsrohre der Brennkammer einer Gasturbine mit detonativem Verbrennungskonzept auf die Statorströmung der letzten Verdichterstufe nach. Der Störgenerator bewirkt einen erhöhten, oszillierenden positiven Druckgradienten entlang der Hauptströmungsrichtung der Statorströmung, was ein sich dynamisch vergrößertes Ablösegebiet innerhalb der Passagenströmung zur Folge hat. Um dem schädlichen Einfluss des Störgenerators entgegenzuwirken, ist die Verdichterkaskade mit Seitenwand- und Schaufelaktuatoren ausgestattet. Durch das pulsierte Einblasen von Druckluft in die Passagenströmung wird das Energieniveau des impulsschwachen Grenzschichtfluids der Seitenwand und der Schaufelsaugseite erhöht. Dadurch bewirkt die Aktuation eine globale Minderung der durch Strömungsablösung und Sekundärströmung hervorgerufenen nachteiligen Effekte. Der Einfluss des Störgenerators und des Aktuationssystems auf die Passagenströmung wurde mit räumlich- und zeitaufgelösten Messungen des Druckbeiwertes auf der Schaufeldruck- und Saugseite der zentralen Schaufel sowie mit Fünflochsondenmessungen im Nachlauf der mittleren Passage untersucht. Die aktive Kontrolle des Strömungsfeldes wurde im geschlossenen Regelkreis betrieben, wobei die Regelung die Aktuationsamplitude angepasst hat. Hierzu wurden verschiedene, optimierungsbasierte Regelstrategien betrachtet, welche prinzipbedingt Informationen über den aktuellen Zustand des Strömungsfeldes in Echtzeit verarbeiten. Um die periodische Natur des Prozesses für die aktive Strömungskontrolle nutzbar zu machen, werden diverse lernende Regelungskonzepte (Q-ILC, H-unendlich-ILC und RMPC) untersucht und mit einer konventionellen Regelung (MPC) sowie einer einfachen Steuerung verglichen. Die verschiedenen Ansätze werden bezüglich ihres dynamischen und zeitlich gemittelten Einflusses auf die Schaufeldruckverteilung, den statischen Druckaufbau, den Totaldruckverlust und der Effizienz analysiert und verglichen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7472
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6695
Exam Date: 18-Dec-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 26-Feb-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): iterative learning control
repetitive control
active flow control
compressor stator cascade
iterativ lernende Regelung
repetitive Regelung
aktive Strömungskontrolle
verdichter Statorkaskade
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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