Zur Eindämmung der Folgen durch die globale Erderwärmung ist es von großer Bedeutung, den Ausstoß an Treibhausgasen aus fossilen Energieträgern zu reduzieren. Hierzu müssen alle emittierenden Sektoren einen Beitrag leisten. Neben der industriellen Prozessanwendung sind Turbomaschinen im Bereich der Luftfahrt sowie der Energieumwandlung weit verbreitet.
Eine Reduktion an Treibhausgasen kann dabei durch eine Ressourceneinsparung aufgrund einer Steigerung des Wirkungsgrades erzielt werden, wobei ein sicherer Anlagenbetrieb gewährleistet werden muss.
Die Bereiche hoher Wirkungsgrade zeichnen sich im Verdichterkennfeld durch einen geringen Abstand zur Pumpgrenze aus. In diesen Gebieten kommt es aufgrund der hohen Schaufelbelastung zur Ausbildung von instationären Strömungsphänomenen wie dem Verdichterpumpen, die Rotierende Ablösung und die Rotierenden Instabilität (RI). Dabei ist die RI den beiden anderen Phänomenen vorgelagert und kann somit als ein Indikator für eine hohe aerodynamische Belastung angesehen werden. Da die Entstehungsmechanismen noch nicht vollständig geklärt sind, bedarf es hierzu weiterer Forschungsarbeit. Diese Arbeit beschäftigt sich in diesem Rahmen mit der experimentellen Untersuchung der RI.
Die Untersuchungen wurden an einem stehenden Verzögerungsgitter eines Ringgitterwindkanals sowohl mit stationärer als auch instationärer Messtechnik durchgeführt. Hierzu wurden neben einer pneumatischen 5-Loch-Sonde die Hitzdrahtanemometrie, piezoresistive Druckaufnehmer sowie ein Stereo Particle Image Velocimetry Messsystem eingesetzt.
Aktualisiert: 2022-06-09
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Turbomaschinen kommen in zahlreichen Anwendungen wie in der Energieerzeugung, in Flugzeugantrieben oder industriellen Produktionsanlagen zum Einsatz und sind in der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Um sie energieeffizienter zu gestalten, kann entweder das Druckverhältnis erhöht oder der Arbeitsbereich erweitert werden. Dies führt die Maschinen jedoch an ihre Stabilitätsgrenze bei der Strömungseffekte auftreten können, die vom Einbruch der Leistung bis hin zum Versagen der Maschine führen können.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zu einem dieser Strömungseffekte, der "Rotierenden Instabilität" (RI). Im ersten Teil der Arbeit wird auf die grundlegenden Begrifflichkeiten und das Strömungsverhalten in einem Verdichter eingegangen. Im weiteren Verlauf werden das zu untersuchende stehende Verdichtergitter und die konstruktiven Maßnahmen zur Realisierung von optischen Messverfahren beschrieben.
Nach dieser Einführung wird auf die Ergebnisse der High-Speed Particle Image Velocimetry Messungen eingegangen. Die zeitlich gemittelten Strömungsfelder dienen am Anfang zur Beschreibung der Randbedingungen. Weiterhin wird auf die Entwicklung der gemittelten Strömungsprofile über der Lauflänge eingegangen. Die anschließenden Analysen der instationären Strömungsfelder weisen die charakteristischen Eigenschaften der RI, die bisher hauptsächlich nur mit wandbündigen Drucksensoren und Mikrofonen nachgewiesen wurden, in der Strömung bzw. den Strömungsfeldern nach. Anhand der weiterführenden Auswertung werden die markanten Frequenzen aus der Kammstruktur der RI zur Visualisierung verwendet und über die gemessenen Ebenen aufgetragen. Damit lässt sich das Gebiet der RI im Verdichtergitter eindeutig lokalisieren, begrenzen und über die Intensität auf den Entstehungsort schließen. Damit liefert diese Arbeit einen Baustein für die im Verbundprojekt entstandene neue Hypothese zum Entstehungsmechanismus der RI.
Aktualisiert: 2022-12-31
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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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Die vorliegende Arbeit berichtet über die durchgeführten Untersuchungen der Sekundärströmungen
und der Rotierenden Instabilität in einer Verdichter-Stator-Kaskade
mit Nabenspalt.
Aktualisiert: 2021-12-01
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