Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6755
Main Title: Rotierende Instabilität in Axialverdichtern
Subtitle: experimentelle Evaluation einer neuen Entstehungshypothese
Translated Title: Rotating instability in axial compressors
Translated Subtitle: experimental evaluation of a new hypothesis about its origin
Author(s): Pardowitz, Benjamin
Advisor(s): Enghardt, Lars
Referee(s): Sarradj, Ennes
Enghardt, Lars
Mailach, Ronald
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Identifikation und experimentellen Analyse von einem physikalischen Effekt der in Verbindung mit instationären Vorgängen in Turbomaschinen und vorwiegend an Axialverdichtern auftritt. Dieser Effekt wird als Rotierende Instabilität (RI) bezeichnet und im Rahmen dieser Arbeit sowohl an einer einzelnen Statorbeschaufelung, als auch an einer axialen Rotor-Stator-Stufe untersucht. Die charakteristischen RI-Merkmale und deren Abhängigkeiten von den Strömungsparametern an den verschiedenen Konfigurationen werden überwiegend mit wandbündigen Drucksensoren untersucht. Als übergeordnetes Ziel soll der zugrunde liegende RI-Wirkmechanismus entschlüsselt werden. Dafür wurde ein Erklärungsansatz mit einer neuen Hypothese formuliert, der vor dem Hintergrund der experimentellen Ergebnisse evaluiert wird. Der neuen Modellvorstellung liegt zugrunde, dass die charakteristischen spektralen und modalen Eigenschaften der RI durch umlaufende Scherschichtinstabilitäten entstehen. Als Schwerpunkt dieser Arbeit werden experimentelle Studien zur Identifikation der charakteristischen RI-Eigenschaften an verschiedenen Versuchsträgern durchgeführt. Diese basieren vorwiegend auf umfangsverteilten instationären Druckmessungen an unterschiedlichen Positionen in den Prüfständen. Die Untersuchungen an der axialen Rotor-Stator-Stufe belegen eindeutig das Auftreten des Spaltgeräusches als akustische Auswirkung der RI. Typische spektrale RI-Signaturen existieren am Ringgitter im Bereich der Nabe und an der Rotor-Stator-Stufe am Außengehäuse im Bereich der Schaufelvorderkanten. Umfangsdruckverläufe zeigen ausgeprägte modale Strukturen, die sich in Umfangsrichtung ausbreiten. Für die einzelnen nebeneinander liegenden Peaks der RI-Signatur werden jeweils unterschiedliche Modenordnungen in Übereinstimmung mit der aus der Literatur bekannten Charakteristik identifiziert. Die aerodynamischen und geometrischen Einflussgrößen wurden an beiden Versuchsträgern detailliert mit verschiedenen Konfigurationen untersucht. Überraschenderweise lässt sich RI dabei auch an einem Stator ohne Spalt und an einem Rotor mit Deckband nachweisen. Diese Erkenntnis stellt bisherige Erklärungsansätze mit instationären Spaltwirbelsystemen als auslösender RI-Mechanismus in Frage. Detaillierte Untersuchungen zu den zeitlichen Eigenschaften der verschiedenen RI-Moden zeigen folgende neue Erkenntnisse: Ein ausgeprägtes stochastisches Auftreten der einzelnen Moden wird in den Datensätzen von beiden Versuchsträgern detektiert. Es lässt sich nachweisen, dass für die Existenz der RI kein Zusammenhang der unterschiedlichen Modenordnungen besteht, sondern diese unabhängig voneinander auftreten. Mit dieser Erkenntnis aus den zeitaufgelösten Modenamplituden wurde eine neue RI-getriggerte Auswertemethodik entwickelt und für Datensätze verschiedener Experimente angewendet. Ergebnisse von z.B. synchron zu den instationären Druckverläufen aufgezeichnete Geschwindigkeitsfelder visualisieren die RI-induzierten dreidimensionalen instationären Wirbelsysteme. Sowohl am Stator als auch am Rotor existieren für die einzelnen Moden charakteristische Zeitverläufe mit an- und wieder abschwellenden Amplituden, die als 'Modale Events' bezeichnet werden. Im Gegensatz zu bestehenden Erklärungen belegen die Umfangs-Druckverläufe eindeutig, dass RI kein lokal beschränktes Phänomen ist, sondern die induzierten Druckstörungen über den gesamten Umfang verteilt und damit in allen Schaufelpassagen zeitgleich existieren. Die entwickelte Hypothese basiert auf der Modellvorstellung von Scherschichtinstabilitäten, bei der die charakteristischen spektralen und modalen Eigenschaften in den wandnahen Bereichen mit Rückströmung bzw. in den Grenzschichten erzeugt werden. Im Abgleich zu bekannten RI-Eigenschaften ergeben sich keine Widersprüche, vielmehr bekräftigen die aktuellen Ergebnisse den im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Erklärungsansatz und die zugrunde liegende Scherschichthypothese.
This work focuses on the experimental investigation and identification of unsteady flow phenomena occuring in turbomachinery. Rotating instability (RI) arises predominantly in axial compressors and induces characteristic pressure fluctuations which are detected typically near the blade leading edges in the clearance region. Characteristic spectral signatures and patterns of circumferential modes were identified both on an annular compressor cascade as well as on a rotor setup. The overall objective is to clarify the triggering mechanism of the RI phenomenon. Experimental studies were conducted at an isolated stator and a rotor-stator-stage representative for compressor components. Typical RI signatures were identified by using pressure sensors in the near-field at the stator near the hub as well as at the rotor near the outer casing. By using circumferentially staggered sensors, modal pressure patterns were proven which propagate in the circumferential direction. As known from the literature, each peak within the RI pattern refers to a dominant mode order. RI was observed experimentally in both set-ups within a wide range of aerodynamic conditions and for various geometric configurations. RI arises in different frequency ranges and with different mode orders depending on the blade loading and the rotor speed. The interaction mechanism between RI and the rotor was clearly identified to be responsible for the emergence of 'clearance noise' at the rotor setup. Results at the stator revealed the occurrence of RI surprisingly at a configuration without hub clearance. Accordingly, a shrouded-rotor configuration was tested where RI was clearly proven, too. Such results do not comply with existing RI models. Investigations were carried out with particular focus on the temporal characteristics. Especially a time-resolved circumferential mode analysis revealed new details with regard to the occurence of the individual RI modes and their interrelations. It was pointed out that the individual modes of different circumferential orders occur stochastically distributed in time and without any temporal interrelations between modes of different mode orders. Further, the time-resolved mode amplitudes reveal characteristic growth and descent rates ('modal events'). The circumferential pressure distributions show clearly: RI is generating not only local pressure disturbances but rather pressure waves that exist over the whole circumference. This result is proven accordingly in both investigations at the stator as well as at the rotor. A new method was developed to analyze unsteady data from various measurement techniques to identify the time dependent characteristics of the RI modes. This method can be applied to data acquired with sensor arrays or reference sensors which are further synchronized to e.g. optical velocity measurements. As an advantage of this method, results can be assembled from individual PIV measurements taken in different measuring planes. Thus, a visualization was enabled of three-dimensional vortices of RI corresponding to the induced pressure fluctuations. The experimental findings have raised questions about the validity of already existing models. Accordingly, a new hypothesis with regard to the generation of RI was formulated. The new hypothesis implies that shear layer instabilities constitute the basic mechanism of RI resulting from a back-flow over the whole circumference near the wall (and especially in the clearance region if existent). Identified vortex structures correspond to unsteady phenomena arising typically within boundary layers. Overall, results provide evidence to the shear-layer hypothesis as the generating mechanism of RI which is also plausible with regard to other well-known RI properties and dependencies given in the literature.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7535
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6755
Exam Date: 1-Dec-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 11-Apr-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Rotierende Instabilität
instationäre Strömungen
Axialverdichter
Scherschichtinstabilitäten
rotating instability
unsteady aerodynamics
axial compressors
shear-layer instability
Sponsor/Funder: DFG, GZ EN 797/5-1 Strömungsinduzierter Schall in Turbomaschinen - Die Rotierende Instabilität
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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