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Propagating disturbances as a prestall instability in axial compressors
Eck, Mario
The present work deals with the experimental analysis of aerodynamic instabilities in axial compressors. A very effective measure for increasing engine efficiency and reducing noise emissions is to increase the bypass ratio. In modern aircraft engines, this measure is clearly reflected by increasing fan diameters and more compact core engines. This trend inevitably causes the relative gaps between the compressor blade tips and the adjacent side wall to grow. For this reason, a highly complex, unsteady flow phenomenon, the Rotating Instability (RI), is to be assumend to play an increasingly important role in the development of future axial compressors. It has been established by now that RI is a prestall phenomenon. Referring to this finding, the present thesis aims at clarifying the potential of RI as a stall precursor by systematically evaluating the characteristics of RI changing during the throttling process. In this context, this work makes a significant contribution in improving the fundamental understanding of the flow physics of RI.
The experiments have been carried out at two complementary compressor test facilities. The flow field in a hub clearance gap of a compressor stator and the tip clearance gap of a compressor rotor has been investigated using pressure measurement techniques installed flush with the surface. By means of temporally and spatially highly resolved pressure and velocity patterns, a comprehensive picture of the propagation area of coherent structures undoubtedly to be attributed to RI could be obtained. In the course of the investigations a leading edge separation could be excluded as the physical cause for those structures. Rather, discrete disturbances are seen to form in the shear layer between the main and the clearance flow while propagating in circumferential direction. The circumferential count of disturbances corresponding to the mode order of RI, changes stochastically in time. However, it was found that the predominant modes have different probabilities, with the mode inducing largest pressure amplitudes occurring most frequently. In addition, this work shows results on the formation of RI in eccentric rotors, which are the first of their kind.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Analyse von aerodynamischen Instabilitäten in Axialverdichtern. Eine besonders effektive Maßnahme zur Steigerung der Triebwerkseffizienz sowie zur Minderung von Lärmemissionen ist die Vergrößerung des Nebenstromverhältnisses. Bei modernen Flugzeugtriebwerken spiegelt sich diese Maßnahme sehr deutlich durch wachsende Fandurchmesser und kompaktere Kerntriebwerke wider. Baubedingt wachsen dadurch unvermeidlich die relativen Spalte zwischen den Schaufelspitzen der Verdichterschaufeln und der angrenzenden Seitenwand. Aus diesem Grund ist anzunehmen, dass ein besonders komplexes, instationäres Strömungsphänomen, die Rotierende Instabilität (RI), eine größere Rolle bei der Entwicklung zukünftiger Axialverdichter spielen wird. Es ist inzwischen allgemein bekannt, dass die RI eine Vorstufe einer Verdichterinstabilität darstellt.
Bezugnehmend auf diese Erkenntnis soll die vorliegende Arbeit das Potential der RI zur präzisen Früherkennung von Verdichterinstabilitäten verdeutlichen, indem die sich während des Drosselprozesses verändernden Merkmale der RI systematisch und zielführend ausgewertet werden. In diesem Zuge leistet diese Arbeit einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung des Verständnisses über die strömungsphysikalischen Eigenschaften der RI. Die experimentellen Versuche wurden an zwei komplementären Verdichterprüfständen durchgeführt. Mittels wandbündig installierter Druckmesstechniken wurde das Strömungsfeld im Nabenspalt eines Verdichterstators sowie im Gehäusespalt eines Verdichterrotors untersucht. Zeitlich und räumlich hoch aufgelöste, ebene Druckund Geschwindigkeitsfelder erlauben eine detaillierte Analyse des Ausbreitungsortes von kohärenten Strukturen, welche zweifelsfrei der RI zugeschrieben werden konnten. Im Zuge der Untersuchungen konnte eine Vorderkantenablösung als Ursache für jene Strukturen ausgeschlossen werden. Vielmehr bilden sich in der Scherschicht zwischen der Haupt- und der Spaltströmung diskrete Störungen aus, welche sich in Umfangsrichtung fortbewegen. Die Anzahl dieser über den Umfang verteilten Störungen, welche einer Umfangsmode der RI entspricht, ändert sich stochastisch. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass die Umfangsmoden unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten aufweisen, wobei diejenige Mode mit den größten Druckamplituden am häufigsten auftritt. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit erstmalig Ergebnisse über die Ausbildung der RI in exzentrischen Rotoren.
