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Experimentelle Untersuchungen der Auswirkungen von periodisch–instationären Randbedingungen auf annulare Verdichterstatorgitter mit passiver und aktiver Strömungsbeeinflussung

Brück, Christian

In der heutigen Zeit liegt das Augenmerk bei der Auslegung von Turbomaschinen auf der Steigerung des Gesamtwirkungsgrads und der Senkung von Emissionen. Die gängige Technik der Umwandlung von chemischer in thermische Energie wird in Gasturbinen mit einer kontinuierlichen Gleichdruckverbrennung erzielt. Eine alternative Möglichkeit dazu beschreibt die druckerhöhende Verbrennung (pulsed detonation combustion – PDC), welche in Kombination mit Verdichter und Turbine eine signifikante Wirkungsgradsteigerung erzielen kann. Die Wirkungsweise der kontrollierten Detonationen in solch einem Verbrennungsprozess erhöht nicht nur den Totaldruck des Fluids, sondern erzeugen ebenso periodisch instationäre Randbedingungen für die stromauf und -abliegenden Turbomaschinenkomponenten. Es stellt eine Herausforderung dar, die Realisierbarkeit der Integration der PDC in diese Maschinenumgebung zu untersuchen und zu bewerten. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Windkanal entworfen und gebaut, mit welchem die periodisch instationären Randbedingungen der druckerhöhenden Verbrennung auf ein annulares Verdichterstatorgitter simuliert werden können. Zusätzlich dazu besteht die Möglichkeit der Integration von aktiver Strömungsbeeinflussung und die Untersuchung dessen Auswirkung auf die Strömungscharakteristik in der Messstrecke. Als erstes kam dabei ein hochumlenkender Verdichterstator aus einer linearen Kaskade zum Einsatz. Dieser dient zur Analyse der Vergleichbarkeit der Strömungscharakteristik zwischen einer 2D-Kaskade und dem 3D-Ringgitter. Die Auswirkungen der veränderlichen Randbedingungen auf dieses Profilwurden anhand von verschiedenen Drosselfrequenzen analysiert, bei welchen die rotierenden Ausleger stromab entgegengesetzt zueinander insgesamt zwei Passagen verblockten. Die negativen Auswirkungen dieser aufgeprägten Randbedingungen wurden zusätzlich unter Anwendung von aktiver Strömungsbeeinflussung untersucht in Hinblick auf die Steigerung des Druckbeiwertes und Senkung der Verluste. Weiterhin erfolgten Untersuchungen zu einem Verdichterstator mit geringerer Umlenkung unter identischen Bedingungen, damit der Einfluss der aerodynamischen Belastung auf das Gitter nachvollziehbar ist. Als Maßnahme der passiven Strömungsbeeinflussung wurde ein optimiertes Verdichterschaufelprofil entwickelt, welches ebenfalls unter diesen Strömungsbedingungen vermessenwurde. Die aktive Strömungsbeeinflussung ist bei beiden Verdichterstatoren ebenfalls zum Einsatz gekommen und zeigte deutlich unterschiedlichen Einfluss auf die Druck- und Verlustbeiwerte.
Nowadays the focus of designing turbomachines is on increasing overall efficiency and reducing emissions. The common technique of converting chemical into thermal energy is achieved with continuous constant-pressure combustion. An alternative to this is a pressure-gaining combustion (pulsed detonation combustion– PDC), which can achieve a significant increase in efficiency in combination with the compressor and turbine. The mode of action of the controlled detonations in such a combustion process not only increases the total pressure of the fluid, but also creates periodically unsteady boundary conditions for the gas turbine components. It is a challenge to examine and evaluate the feasibility of integrating the PDC into this machine environment. In the present work, a wind tunnel was designed and built, with which the periodically unsteady boundary conditions of the pressure gain combustion can be simulated on an annular compressor stator cascade. In addition, there is the possibility of integrating active flow control and studying its effect on the flow characteristics in the measuring section. The first to be used was a highly loaded compressor stator from a linear cascade. This serves to analyze the comparability of the flow characteristics between a 2D cascade and the 3D annular cascade. The effects of the changing boundary conditions on this profile were analyzed using different chocking frequencies at which the rotating device blocked a total of two passages downstream in opposite directions. The negative effects of these unsteady boundary conditions were also examined using active flow control with regard to increasing the pressure coefficient and reducing losses. Furthermore, investigations were carried out on a compressor stator with less turning under identical conditions, so that the influence of the aerodynamic load on the cascade can be understood. As a measure of passive flow control, an optimized compressor blade profile was developed, which was also measured under these flow conditions. The active flow control was also used on both compressor stators and showed clearly different influences on the pressure and loss coefficients.