Numerical assessment of aerodynamic and aeroelastic effects of pressure gain combustion in axial compressors
| dc.contributor.advisor | Peitsch, Dieter | |
| dc.contributor.author | Bicalho Civinelli de Almeida, Victor | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Peitsch, Dieter | |
| dc.contributor.referee | Vogt, Damian | |
| dc.date.accepted | 2022-07-26 | |
| dc.date.accessioned | 2022-09-15T11:12:47Z | |
| dc.date.available | 2022-09-15T11:12:47Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | Reducing fuel consumption of aero engines and stationary gas turbines currently requires breakthrough technologies able to offer radical improvements in efficiency. One such approach involves the substitution of conventional constant-pressure combustion with processes delivering an increase in pressure. The so-called pressure gain combustion (PGC) provides higher thermal efficiency, however at the cost of unsteady fuel burning. This modification challenges the adjacent turbomachinery components, introducing additional unsteadiness into the turbine and compressor. This thesis contributes to better understanding the effects of PGC upstream of the combustor, namely in the compressor system. More specifically, unsteady aerodynamics and aeroelasticity numerical investigations were employed to assess the fluid dynamics and solid mechanics responses of two high pressure compressors subjected to PGC disturbances. An analytical formulation was proposed to model the change in amplitude of the disturbance waves propagating through the engine. When applied to the case studies, this metric, termed here "unsteady damping", identified an amplification of the PGC for low disturbance frequencies. The depreciation in performance was assessed for multirow setups, as a function of the form, frequency and amplitude of PGC disturbances. Data-driven methods, including proper orthogonal and dynamic mode decompositions, revealed a spread of energy and coherence into high-order modes, as well as the subsuming of baseline flow features in the PGC-disturbed scenario. These methods also helped expound which flow phenomena could be directly linked to the observed increase in stage losses. The forced response investigations indicated a substantial increase in vibration and stress levels on rotor blades when subjected to PGC disturbances. The augmented structural loading was also examined considering the interaction of unsteady forcing, data-driven decompositions and modal analyses. | en |
| dc.description.abstract | Um den Treibstoffverbrauch von Luftfahrtantrieben und stationären Gasturbinen weiter zu reduzieren, sind neuartige Technologien erforderlich, die eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung ermöglichen. Einer dieser Ansätze besteht darin, die herkömmliche Gleichdruckverbrennung durch eine Verbrennung mit Drucksteigerung (engl. pressure gain combustion, PGC) zu ersetzen. Die sogenannte druckerhöhende Verbrennung erzielt einen höheren thermischen Wirkungsgrad, allerdings mit dem Nachteil eines höchst instationären Verbrennungsprozesses. Dieses Verfahren stellt eine Herausforderung für die angrenzenden Turbomaschinenkomponenten dar, da dabei zusätzliche Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen in Verdichter und Turbine induziert werden. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum besseren Verständnis über die Auswirkungen der PGC auf den stomaufliegenden Verdichter. Zu diesem Zweck wurden numerische Untersuchungen zur instationären Aerodynamik und Aeroelastik durchgeführt, um die strömungs- und strukturmechanischen Reaktionen von zwei Hochdruckverdichtern zu bewerten, die den Störungen der PGC ausgesetzt sind. Es wurde eine analytische Formulierung entwickelt, um die Änderung der Amplitude der sich durch das Triebwerk ausbreitenden Störwellen zu modellieren. Dieser Ansatz ermöglichte es, eine Anfachung der Amplitude der PGC-Störungen bei niedrigen Verbrennungsfrequenzen zu identifizieren. Die Einbußen in der Verdichterleistung für vielstufige Konfigurationen wurde in Abhängigkeit der Frequenz, Amplitude und Gestalt der PGC-Störung bewertet. Datenbasierte Ansätze, einschließlich der proper orthogonal decomposition und der dynamic mode decomposition, zeigten eine Streuung von Energie und Kohärenz in höhere Modenordnungen sowie Unterschiede von spezifischen Strömungsmerkmalen zwischen dem stationär durchströmten Verdichter und dem Vergleichsfall mit PGC. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, welche Strömungsphänomene unmittelbar mit dem identifizierten Anstieg der Stufenverluste zusammenhängen. Die Untersuchungen zu erzwungenen Schwingungen zeigten einen signifikanten Anstieg des Schwingungs- und Spannungsniveaus an den Rotorschaufeln, wenn diese den PGC-Störungen ausgesetzt sind. Die erhöhte strukturelle Belastung wurde auch unter Einsatz der Kombination von instationärer Anregung, datengesteuerter Zerlegungen und der Modalanalyse untersucht. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/17371 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-16152 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten | de |
| dc.subject.other | unsteady aerodynamics | en |
| dc.subject.other | aeroelasticity | en |
| dc.subject.other | high pressure compressor | en |
| dc.subject.other | data-driven decomposition | en |
| dc.subject.other | pressure gain combustion | en |
| dc.subject.other | instationäre Aerodynamik | de |
| dc.subject.other | Aeroelastik | de |
| dc.subject.other | Hochdruckverdichter | de |
| dc.subject.other | datengesteuerte Zerlegung | de |
| dc.subject.other | druckerhöhende Verbrennung | de |
| dc.title | Numerical assessment of aerodynamic and aeroelastic effects of pressure gain combustion in axial compressors | en |
| dc.title.translated | Numerische Untersuchung der aerodynamischen und aeroelastischen Effekte der druckerhöhenden Verbrennung in Axialverdichtern | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme::Inst. Luft- und Raumfahrt::FG Luftfahrtantriebe | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme | de |
| tub.affiliation.group | FG Luftfahrtantriebe | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Luft- und Raumfahrt | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |