Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der experimentellen Untersuchung eines Tandemstators in einer transsonischen Axialverdichterstufe. Das Konzept des Tandemstators ermöglicht eine optimierte Belastungsverteilung innerhalb der Verdichterstufe und bietet damit einen vielversprechenden Ansatz, die Leistungsfähigkeit von Verdichtern für zukünftige Flugzeugtriebwerke zu steigern.
Die experimentellen Untersuchungen werden en einem Prüfstand durchgeführt, welcher repräsentativ für Frontstufen moderner Hochdruckverdichter ist, wodurch anwendungsnahe Betriebsbedingungen erzielt werden. Durch den Einsatz umfangreicher Messtechniken wird der Tandemstator und dessen Einfluss auf die Verdichterstufe detailliert untersucht.
Anhand umfassender Messdaten wird eine gesteigerte Verdichterleistungsfähigkeit durch den Einsatz eines Tandemstators über den gesamten Betriebsbereich nachgewiesen. Dabei werden sowohl das Totaldruckverhältnis als auch der Wirkungsgrad je nach Betriebsbedingungen erheblich gesteigert. Detailanalysen zeigen, dass der Tandemstator hohen aerodynamischen Profilbelastungen standhält. Im Vergleich zu einem Stator mit konventioneller Beschaufelung sind die Totaldruckverluste im Tandemstator, vor allem ganzheitlich betrachtet, geringer.
Folglich können die Ergebnisse dieser Arbeit als Nachweis zum Einsatz eines Tandemstators in zukünftigen Triebwerksverdichtern verstanden werden, da hohe Druckverhältnisse bei hohen Wirkungsgraden über den gesamten Betriebsbereich erreicht werden. Gleichzeitig kann die Schaufelanzahl gegenüber einem konventionellen Stator um mehr als 30% reduziert werden. Dies begünstigt aktuelle Entwicklungstrends, kleinere und leichtere Hochdruckverdichter mit einer erhöhten Leistungsdichte in zukünftigen Flugzeugtriebwerken einzusetzen.
Aktualisiert: 2022-12-20
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines neuen Prüfstandes zur Vermessung transsonischer Axialverdichterstufen am Fachgebiet Gasturbinen-, Luft- und Raumfahrtantriebe der Technischen Universität Darmstadt.
Der Aufbau und die Funktionsweise des Prüfstandes, des Verdichtermoduls und die verwendete Messtechnik werden detailliert beschrieben. Anhand der Entwicklung einer standardisierten Messprozedur zur Kennfeldvermessung der Verdichterstufe wird die Vorgehensweise bei der Auswertung der stationären Messdaten erläutert und Methoden zum Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsergebnissen der Verdichterauslegung vorgestellt. Grundlage für die Beurteilung der Vergleichsergebnisse bilden Analysen der Messabweichungen und der Reproduzierbarkeit stationärer Messungen.
Das instationäre Betriebsverhalten kann durch eine umfangreiche Instrumentierung des Verdichters mit zeitlich hochauflösender Messtechnik bestimmt werden. Aus den Daten der instationären Wanddruckmessung lassen sich weitere Vergleichsdaten zur Validierung des Auslegungsprozesses ermitteln. Darüber hinaus wird das Versagensverhalten des Verdichters an der aerodynamischen Betriebsgrenze durch Wanddruckmessungen und Messungen der Schaufelschwingungen ermittelt.
Im Rahmen der erstmaligen Vermessung des Verdichters konnten unterschiedliche Phänomene während des instabilen Betriebs des Verdichters beobachtet werden. Durch eine Erweiterung der instationären Wanddruckmessung im Zulauf des Verdichters wurde eines dieser Phänomene als akustische Resonanz von Verdichter und Zulaufstrecke identifiziert.
Aktualisiert: 2021-10-06
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Die vorliegende Abhandlung umfasst die numerische Analyse der Durchströmung eines aerodynamisch hoch belasteten superkritischen Axialverdichters mit erhöhter Schaufelstreckung im Vergleich zu einer Basiskonfiguration. Derartige Verdichterstufen kommen typischerweise in mehrstufigen Hochdruckverdichtern von modernen Strahltriebwerken zum Einsatz. Im Vorfeld zu den am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen durchgeführten Messungen an einem zweieinhalbstufigen Axialverdichterprüfstand, sind die in dieser Arbeit beschriebenen umfangreichen numerischen Sensitivitätsstudien an einer Einzelstufe durchgeführt worden. Hierbei wurde für eine fest vorgegebene Stufenverkürzung deren Aufteilung zwischen Lauf- und Leitgitter unter technisch relevanten Randbedingungen variiert. Dies ermöglichte die Sensitivitäten der so veränderten Streckung beider Schaufelgitter sowie der übrigen geänderten Geometrieparameter auf das Verlust- und Stabilitätsverhalten herauszuarbeiten und weitestgehend zu quantifizieren.
Aktualisiert: 2020-12-26
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The present study deals with the flow phenomenon Rotating Instability (RI), which is predominantly observed in axial compressors at off-design conditions e.g. near stall. It potentially induces noise and triggers blade vibrations. Despite numerous studies, the characteristics and the source of RI are not completely understood. Consequently, the prediction of RI for new machines is still not possible. However, for using Rotating Instability as a potential indicator for critical operating conditions or even for preventing the onset of RI, reliable detection of RI and better understanding about this phenomenon is essential.
The objective of this work is to identify and to visualize characteristic flow topology corresponding to RI by means of Stereo High-Speed Particle Image Velocimetry (PIV). The experimental investigations were carried out in an annular compressor cascade with and without hub clearance. By using combined correlation techniques the spectral characteristics, the spatial extension of the RI and the characteristic flow structures were identified and visualized in configurations with and without hub clearance. The investigations point out that the general flow mechanism of RI is similar in compressor cascades with and without hub clearance. Overall, this work gives important insights into the complex phenomenon Rotating Instability, which can be taken into account when developing compressors in the future.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, das Phänomen der Rotierenden Instabilität, welches experimentell an dem Ringgitterwindkanal der Universität Kassel bestätigt wurde, mit Hilfe numerischer Simulation abzubilden und weiter zu untersuchen.
Aktualisiert: 2022-09-29
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In dieser Arbeit wird der Einfluss einer Änderung des Höhenseitenverhältnisses einer Axialverdichterbeschaufelung auf Gitterverluste und Pumpgrenze mithilfe numerischer Methoden untersucht, die durch Versuche an einem Axialverdichterprüfstand validiert wurden. Erstmalig wird dabei ein Verfahren für die Abschätzung der Änderung der Sekundärverluste vorgestellt, das die Grenzschichtdicke am Gittereintritt mitberücksichtigt und somit nicht auf die Repetierstufen-Annahme angewiesen ist. Die Änderung der Pumpgrenze kann für tip-kritische Verdichter durch die relative Änderung des Radialspaltes erklärt und mithilfe der Theorie von Khalid und Khalsa quantifiziert werden. Alle Untersuchungen zum Verdichterwirkungsgrad werden zunächst anhand einer Einzelgitter-Kaskade untersucht. Dabei können die Änderung der Reynoldszahl, das geringere Anwachsen der Seitenwandgrenzschicht und die veränderte relative Dicke der Zuströmgrenzschicht als wesentliche Einflussgrößen auf die Gitterverluste identifiziert werden. Auf Basis dieser Kaskaden-Simulationen wurde das o.g Verfahren zur Abschätzung der Sekundärverluste entwickelt. Anschließend wurde eine reale Hochdruckverdichterstufe numerisch simuliert. Die in der Kaskade identifizierten Einzeleffekte können dort ebenfalls identifiziert werden. Die Anwendung des neu entwickelten Verfahrens zur Abschätzung der Sekundärverluste zeigt eine deutlich bessere Übereinstimmung mit den CFD-Ergebnissen, als eine Abschätzung auf Basis einer Repetierstufen-Annahme. Die Untersuchungen zum Betriebsbereich des Verdichters wurden anhand einer realen Rotorgeometrie mit Vorleitrad durchgeführt. Es kann ein linearer Zusammenhang zwischen dem Verlust an Pumpgrenze und der Änderung des Höhenseitenverhältnisses festgestellt werden. Die Simulation der gesamten Verdichterstufe bestätigt die Ergebnisse, da der zusätzliche Stator einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Pumpgrenzänderung zeigt. Ein Vergleich zwischen 3D CFD-Simulationen und Prüfstandsversuchen zeigt, dass die Vorhersage von Änderungen des Wirkungsgrades und der Pumpgrenze für die vorliegende Geometrie durch das verwendete voll turbulente, stationäre CFD-Setup mit k-w-Modell und Low-Reynolds-Ansatz gut vorhergesagt werden kann. Mithilfe dieser Erkenntnisse kann eine genauere Abschätzung der Änderung der Gitterverluste vorgenommen werden. Zudem ist eine einfachere und schnellere Bestimmung des Verlusts an Pumpgrenze für einen Verdichter mit vergrößertem Höhenseitenverhältnis möglich.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Die vorliegende Arbeit thematisiert den Nassverdichtungsprozess in Axialverdichtern von Gasturbinen mit Wassereinspritzung. Durch diese Modifikation werden Leistungsreserven aus Gasturbinenanwendungen verfügbar. Zusätzlich ergeben sich Potentiale für rekuperativ geführte, hocheffiziente und flexible Gasturbinenprozesse, die auf der Technologie der gezielten Abkühlung des Arbeitsmediums durch eine Wassereinspritzung basieren. Zielsetzung der Arbeit ist die Entwicklung eines Einspritzsystems, das sich in bestehende strömungsführende Komponenten integrieren lässt. Die Integration einer Düse in die Hinterkante einer Leitschaufel bildet den zentralen Ansatzpunkt des Systems und ermöglicht somit eine sequentielle Einspritzung von Wasser in den Verdichter. Anhand grundlegender Experimente wird zunächst die Spraycharakteristik der Zweistrahldüse als favorisiertes Düsenkonzept untersucht. Mittels laseroptischer Messmethoden (PDPA) wird die Spraycharakteristik ermittelt und mit analytischen Auslegungsansätzen verglichen. Die Messauswertungen zeigen eine Eignung der Zweistrahldüse für ein integriertes Einspritzsystem hinsichtlich generierter Tropfengröße, Durchflusskapazitäten und Fertigungsaspekten auf. Anhand von drei Demonstrator Leitschaufeln wird die reproduzierbare Herstellbarkeit mittels selektiven Laserschmelzens (SLM) und erodierten Düsenbohrungen nachgewiesen. An weiterführenden Experimenten wird die Zweiphasenströmung am Eintritt und am Austritt eines vierstufigen Axialverdichters mit einem Einspritzsystem in der Ansaugleitung während des Nassverdichtungsprozesses mittels konventioneller und PDPA-Messtechnik untersucht. Die Experimente liefern aerothermodynamische Kenndaten sowie Kenngrößen der Zweiphasenströmung für variierende Verdichterbetriebspunkte.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Interaktion einer Zuströmstörung mit einer Verdichterstufe untersucht. Mit Hilfe von Störkörpern wurden Ablösungen stromauf des Verdichters erzeugt. Durch die systematische Variation der Größe der generischen Störkörper können die Erkenntnisse allgemein auf die Interaktion eines transsonischen Verdichterrotors mit einer intensiven, lokal begrenzten Druckstörung der Zuströmung übertragen werden. Durchgeführt wurden die Versuche am transsonischen Verdichterprüfstand des Fachgebiets Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe der Technischen Universität Darmstadt. Die am Gehäuse erzeugte Ablösung beeinflusst die Blattspitzenströmung des Rotors. Im stationären Betrieb, bei ausreichender Höhe des Störkörpers, löst lokal begrenzt die Strömung im Rotor ab, während der gesamte Verdichter weiter stabil arbeitet. Dies wird durch ein Maximum der aerodynamischen Belastung des Rotors beim Austritt aus der Störung verursacht. Mit Hilfe eines auf den Messdaten basierenden Strömungsmodells kann das komplexe Strömungsfeld beschrieben werden. Die Untersuchung transienter Laständerungen, bei denen der Gegendruck bis zum Überschreiten der Stabilitätsgrenze kontinuierlich gesteigert wird, zeigt die Auswirkungen auf das Stabilitätsverhalten. Ein speziell entwickelter Algorithmus wird genutzt, um die Vielzahl an Datensätzen automatisiert zu untersuchen. Dabei identifiziert der Algorithmus Störungen des Druckfelds und ermöglicht stabilitätsrelevante Phänomene über den Umfang zu verfolgen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mit Hilfe numerischer Methoden die Kanalkonturen und die Beschaufelungen mehrstufiger Axialverdichter zu verändern und deren Einfluß auf den Druckregelbereich und die Massenstromvariation der Axialverdichter-Kennfelder zu klären.
Aus den Nachrechnungen verschiedener Kanal-konturen, Reaktionsgradverteilungen und besonders der Verteilungen der Stufen-Totalenthalpie geht hervor, dass die stufenweise Aufteilung der inneren Verdichterarbeit die Axialverdichter-Kennfelder am stärksten beeinflusst.
Aktualisiert: 2020-06-12
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