Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8539
Main Title: Experimentelle und numerische Untersuchung des strukturdynamischen und strömungsmechanischen Verhaltens einer piezoadaptiven Verdichterschaufel zur Strömungsbeeinflussung
Translated Title: Experimental and numerical investigation of the structural dynamic and fluid mechanic behavior of a piezo-adaptive compressor blade for flow control
Author(s): Phan, Tien Dat
Advisor(s): Liebich, Robert
Referee(s): Liebich, Robert
Ilmar, Santos
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wurde eine Piezo-Elastomer-Adaptive-Verdichterschaufel zur aktiven Beeinflussung instationärer Strömungen aufgrund der periodischen Inzidenzwinkeländerung infolge der zur signifikanten Erhöhung des Gasturbinenwirkungsgrades im Sonderforschungsbereich 1029 untersuchten druckerhöhenden pulsierenden Verbrennung entwickelt. Basierend auf numerischen Voruntersuchungen der Grundidee einer adaptiven Verdichterschaufel mit einem verformbaren Vorderteil wurden in einem iterativen Entwicklungs- und Konstruktionsprozess das Grundkonzept und das Modifikationskonzept der Piezo-Elastomer-Adaptive-Verdichterschaufel (PEA-Verdichterschaufel) erstellt und Prototypen gefertigt. Zur experimentellen Untersuchung des strukturdynamischen und strömungsmechanischen Verhaltens der PEA-Verdichterschaufel wurden Prüfstände und die dazugehörigen Messsysteme sowie Messmethoden entwickelt. Bei der Strukturuntersuchung konnten die Eigenfrequenzen und die Dämpfung sowie die durch MFC-Piezoaktuatoren generierte statische und dynamische Verformung der PEA-Verdichterschaufel und bei der Strömungsuntersuchung die Druckbeiwertverteilung, der Druckverlustbeiwert, die statische Druckerhöhung und die Ausströmgeschwindigkeit bei konstanten Inzidenzwinkeln sowie bei einer durch ein Androsselungssystem generierten periodischen Inzidenzwinkeländerung gemessen werden. Des Weiteren wurden Messungen zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der Struktur der PEA-Verdichterschaufel und der Strömung durchgeführt. Unter Strömungsbelastung beträgt die experimentelle Auslenkung der PEA-Verdichterschaufel mit zwei Schichten der MFC-Piezoaktuatoren bei 300 V maximal ±1, 45mm, entsprechend dem Verformungswinkel von ca. ±1◦. Neben den Experimenten wurden numerische Simulationen zur Untersuchung der strukturdynamischen und strömungsmechanischen Eigenschaften der PEA-Verdichterschaufel verwendet. Dazu wurden FEM-Simulationen zur strukturdynamischen Untersuchung, CFD-Simulationen zur strömungsmechanischen Untersuchung und FSPEI-Simulationen (Fluid-Struktur-Piezo-Elastomer- Interaktion) zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der Strömung und der PEAVerdichterschaufelstruktur in ANSYS-Workbench durchgeführt. Dabei konnten nicht nur die Verdichterschaufelstruktur mit linearen Verhalten sondern auch die Elastomermembran mit nichtlinearen hyperelastischen Materialeigenschaften und der Piezoaktuator mit piezoelektrischen Effekten unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Interaktion modelliert werden. Darüber hinaus wurden die numerischen Modelle der FEM-, CFD- und FSI-Simulation durch den Vergleich der numerischen und experimentellen Ergebnisse validiert. Bei der Validierung der FEM-Simulation und der CFD-Simulation bei stationärer Strömung konnten sehr gute Übereinstimmungen erzielt werden. Allerdings ist der Unterschied zwischen der Simulation und der Messung der instationären Strömung erwartungsgemäß größer, da beim Experiment die periodische Inzidenzwinkeländerung durch die periodische Verblockung der Passage hinter den Verdichterschaufeln verursacht wurde, während bei der Simulation die Inzidenzwinkeländerung vor den Verdichterschaufeln modelliert wurde. Bei der Validierung der FSPEI-Simulation stimmen die experimentelle und numerische Untersuchung des Einflusses der Strömung auf die Verformung der PEA-Verdichterschaufel ohne Aktuation und des Einflusses der aktuierten PEA-Verdichterschaufel auf die Druckbeiwertverteilung größtenteils überein. Ferner konnte die grundsätzliche Eignung der PEA-Verdichterschaufel zur aktiven Strömungsbeeinflussung der periodischen Inzidenzwinkeländerung mit Hilfe der FSPEI-Simulation gezeigt werden. Dabei konnten die durch die periodische Inzidenzschwankung verursachte negativen Effekte am unverformten CDA-Profil, hierzu gehören die Erhöhung des Druckverlustbeiwertes, die Senkung des statischen Druckaufbaus und im Extremfall sogar die laminare Strömungsablösung an der Vorderkante, vermieden werden. Dies konnte allerdings in der vorliegenden Arbeit experimentell noch nicht validiert werden. Dafür sollen ein hochfrequentes Androsselungssystem und ein geschlossener Regelkreis für die PEA-Verdichterschaufel entwickelt werden.
In this thesis, a piezo-elastomer-adaptive compressor blade was developed to actively control transient flow of the periodic incidence angle fluctuations as a result of a pulsed detonation combustion. This combustion is investigated in the Collaborative Research Center 1029 to significantly increase gas turbine efficiency. Based on numerical preliminary investigations of the basic idea of the adaptive compressor blade with a deformable front part, the basic concept and the modification concept of the piezo-elastomeradaptive compressor blade (PEA compressor blade) were created and the prototypes manufactured by an iterative development and design process. The test rig and the measuring systems as well as a methods were developed in order to investigate the structural dynamic and fluid mechanical behavior of the PEA compressor blade. In the structural study, the natural frequencies and the damping as well as the static and dynamic deformation of the PEA compressor blade generated by MFC piezo actuators were measured. During the flow investigation, the pressure coefficient distribution, the pressure loss coefficient, the static pressure increase and the oulet velocity at constant angles of incidence and at the periodic angle of incidence caused by a chocking device were measured. Furthermore, the measurements were performed to investigate the interaction between the structure of the PEA compressor blade and the flow. Under flow loading, the experimental displacement of the PEA compressor blade with two layers of MFC piezos actuators at 300 V amounts to a maximum of ±1, 45mm, corresponding to the deformation angle of approximately ±1◦. In addition to the experiments, numerical simulations were also used to investigate the structural dynamic and fluid mechanical properties of the PEA compressor blade. For this purpose, FEM simulations for structural dynamics analysis, CFD simulations for fluid mechanics analysis and FSPEI simulations (fluid-structure-piezo-elastomer interaction) for the analysis of the interaction between the flow and the PEA compressor blade were performed in ANSYS -Workbench. Not only the compressor blade structure with linear behavior but also the elastomer membrane with non-linear hyperelastic material properties and the piezoactuator with piezoelectric effects under consideration of the fluid-structure interaction could be modeled. Furthermore, the numerical models of the FEM-, CFD- and FSI-simulations were validated by comparing the numerical and experimental results. The FEM-simulation and the CFD-simulation with constant incidence showed very good matches. However, as expected, the difference between the measurement and the CFD-simulation with periodic incidence fluctuation is larger. In the experiment, the periodic incidence fluctuation was caused by the periodic blocking of the passage behind the compressor blades, whereas in the simulation the periodic incidence fluctuation was modeled in front of the compressor blades. In the validation of the FSPEI-simulation, the experimental and numerical investigation of the influence of the flow on the deformation of the PEA compressor blade without actuation and the influence of the actuated PEA compressor blade on the pressure coefficient distribution are largely consistent. In addition, the basic suitability of the PEA compressor blade for the active flow control of the periodic incidence angle fluctuations was demonstrated by means of the FSPEI simulation. The negative effects on the undeformed CDA profile caused by the periodic incidence fluctuation, for example an increase of the pressure loss coefficient, a decrease of the static pressure rise and a latent danger of a laminar flow separation at the leading edge, could be prevented. However, this could not yet be validated experimentally in the present thesis. This requires a high-frequency choking device and a closed loop for the PEA compressor blade.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9482
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8539
Exam Date: 3-Jun-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 21-Jun-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Strukturdynamik
Strömungsmechanik
Fluid-Struktur-Interaktion
Experiment
Simulation
Piezoelektrizität
Hyperelastizität
Gasturbine
Detonationverbrennung
Verdichterschaufel
adaptiv
Strömungsbeeinflussung
Sponsor/Funder: DFG, SFB 1029, TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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