Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6756
Main Title: Simulation und Analyse einer Verdichterkaskade mit aktiver Strömungsbeeinflussung
Translated Title: Simulation and analysis of a compressor cascade with active flow control
Author(s): Gmelin, Christoph
Advisor(s): Thiele, Frank
Referee(s): Thiele, Frank
Michel, Ulf
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Axiale Verdichter erreichen heutzutage sehr hohe Gesamtdruckverhältnisse, wozu eine hohe Anzahl von Verdichterstufen notwendig ist. Bei Flugtriebwerken stellt das Einsparen ganzer Stufen eine Möglichkeit dar, gleichzeitig das Gewicht und den Bauraum zu reduzieren. Für stationäre Gasturbinen wird der Teillastbetrieb mit steigendem Anteil an regenerativen Energien immer bedeutsamer. Beide Forderungen haben eine zunehmende aerodynamische Belastung der Verdichterschaufeln und eine damit verbundene Ablösegefahr der Grenzschichten zur Folge. In der vorliegenden Arbeit wird die aktive Strömungsbeeinflussung durch fluidische Aktuatoren an einer aerodynamisch hoch belasteten Verdichterkaskade anhand numerischer Strömungssimulationen analysiert. Die Beeinflussung erfolgt dabei aus Schlitzen an der Seitenwand der Kaskade und an der Saugseite der Statorschaufel. Anhand einer systematischen Analyse werden effektive und effiziente Parameter identifiziert. Die Beeinflussung sollte stromauf der Strömungsablösung unter einem flachen Winkel zur Wand erfolgen. Der strömungsbeeinflussende Effekt skaliert dabei in erster Linie mit der Jetamplitude. Durch eine kleine Austrittsöffnung des Aktuators können hohe Amplituden bei geringem Masseneintrag erreicht werden. Die instationäre Beeinflussung bei einer wirksamen Anregefrequenz durch gepulstes Ausblasen oder Synthetik Jets ermöglicht eine erhebliche Reduktion des Energieaufwandes im Vergleich zu stationärem Ausblasen. Die Analyse zeigt zudem, dass eine Berücksichtigung der eingebrachten Leistung unabdingbar für eine korrekte Bewertung der Strömungsbeeinflussung ist. Neben einem korrigierten Totaldruckverlustbeiwert wird aus diesem Grund ein Wirkungsgrad für die Kaskade definiert, welcher die eingebrachte Leistung berücksichtigt. Die Analyse der Strömung durch die Kaskade und der Effekte der aktiven Strömungsbeeinflussung erfolgt durch instationäre Reynolds-gemittelte Navier-Stokes Simulationen. Als Ergebnis kann gezeigt werden, dass die Beeinflussung an der Seitenwand die Passagenwirbel und die Totaldruckverluste der Kaskade reduziert. Die Beeinflussung an der Saugseite führt zu einer Reduktion der Strömungsablösung und somit zu einer Erhöhung des Druckaufbaus. Durch eine kombinierte Beeinflussung an beiden Orten akkumulieren sich die Effekte und der Wirkungsgrad der Kaskade kann um 8% gesteigert werden. Dank der experimentellen Partnerarbeiten kann gezeigt werden, dass der numerische Ansatz in der Lage ist den Einfluss der Parameter der Strömungsbeeinflussung für deren Auslegung zu beurteilen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden somit die Voraussetzung für die industrielle Umsetzung der aktiven Strömungsbeeinflussung in einer technischen Anwendung.
Today's axial compressors achieve very high pressure ratios which requiresa high number of compressor stages. For an aircraft engine, the saving of a whole stage would at once reduce its weight and its size. With respect to the increasing share of renewable energy, part-load operation becomes more and more important for stationary gas turbines. Both demands result in an increased aerodynamical loading of the airfoils linked with a higher risk of boundary layer separation. The present work analyses active flow control by means of fluidic actuators in an aerodynamically highly loaded compressor cascade on the basis of computational fluid dynamics. Two flow control concepts are investigated using actuators on the cascade's side walls and the vane's suction surface. Effective and efficient parameters are identified on basis of a systematic analysis. The actuator should be located upstream of the separation and the jet directed with a flat angle from the surface. The impact of the flow control essentially scales with the amplitude of the jet. Shaping the actuator's opening as small slots enables high amplitudes in combination with a small mass flow. Unsteady flow control on the basis of pulsed jets or synthetik jets at a suitable frequency allows for a significant reduction of the energy input compared to steady blowing. The analysis highlights the need to account for the enery input in order to correctly assess the flow control. Besides a corrected total pressure loss coefficient, an efficiency of the cascade is defined which accounts for the energy input of the active flow control. The flow through the cascade and the effects of the active flow control are analysed on the basis of unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations. The results show a reduction of the passage vortices and the total pressure losses using active flow control on the side walls. Using the actuators on the suction surface reduces the flow separation and therefore increases the pressure rise. The combination of the two flow control concepts leads to an accumulation of these effects and an increase in the cascade's efficiency by 8%. The numerical approach is able to assess the impact of the parameters of the active flow control concepts which can be proven thanks to the works of the experimental partners. Thus, the results of the present work form the requirement of an industrial implementation of active flow control in a technical application.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7536
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6756
Exam Date: 24-Feb-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 11-Apr-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): aktive Strömungsbeeinflussung
numerische Strömungssimulation
Verdichterkaskade
active flow control
computational fluid dynamics
compressor cascade
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:FG Numerische Fluiddynamik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
gmelin_christoph.pdf19.51 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons