Abstract
The secondary air system is an important auxiliary system for safe and stable opera-
tions of modern aero engines. To supply internal and external consumers within the
secondary air system, bleed air is removed from the primary (core) flow at several
locations inside the compressor. The bleed air leaves the core compressor by bleed
off-takes on the hub and casing endwalls and high pressure air is supplied for turbine
cooling, de-icing, sealing, or cabin air. The bleed mass flow rates vary throughout the
flight cycle for each application and can be up to 30% of primary flow. The removal
of air from the compressor has a direct impact on the overall engine performan-
ce. Therefore, it is important that the off-take configuration is adapted to the flow
conditions. Main design criteria for off-take configurations are a high static pressu-
re recovery through the bleed air system and a low interaction with the primary flow.
In this thesis, experimental and numerical investigations present the interaction bet-
ween a bleed air off-take configuration and the core flow of a compressor cascade.
The experimental investigations were carried out in a low-speed cascade wind tunnel
and the experimental results are supported by numerical simulations. The off-take
configuration is a pitchwise-symmetric slot at the endwall downstream of the com-
pressor cascade. The effect of bleed air removal on the compressor cascade flow is
shown based on bleed flow rates of 4.0%, 7.8% and 14.3% of the core flow. The
results show that the secondary air removal induced a redistribution of the cascade
flow and has a strong effect on the cascade characteristics. The development of the
classical secondary flow is disturbed due to the bleed air removal and parts of the
vortices near the endwall are removed by the bleed off-take. The effect of bleed air
removal is not only limited to the region near the slot but also is present at the
opposite endwall region.
Furthermore, this thesis presents the performance of different bleed off-take configu-
ration. Based on a datum configuration, the design is adapted to the flow conditions
step-by-step. The location and shape of the pitchwise-symmetric slot at the endwall
was not part of the modification. The results show that the modification of the bleed
configuration increased the static pressure recovery by up to (delta)cp = 0, 17.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Ein wichtiger Beitrag zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen kann durch Reduzierung sogenannter Sekundärströmungsverluste geleistet werden. In Axialverdichterrotoren ist der Radialspaltwirbel das dominante Sekundärströmungs-phänomen mit signifikantem Einfluss auf Verdichterwirkungsgrad und –stabilität. Die periodisch instationäre Ausprägung der Radialspaltströmung im Rotor, angeregt durch die Interaktion mit den Nachläufen stromauf liegender Statorschaufeln in mehrstufigen Verdichtern, ist jedoch messtechnisch schwer zu erfassen und daher bislang wenig verstanden.
Die vorliegende Arbeit trägt mit Hilfe systematischer, numerischer Untersuchungen zu einem tieferen Verständnis über die periodisch instationäre Sekundärströmung in Verdichtergittern durch Schaufelreihen-Interaktion bei, um bestehende Forschungslücken zu schließen. Es erfolgt zunächst die zeitaufgelöste Simulation der Strömungsphänomene in einer ebenen Schaufelkaskade mit Nachlauferzeuger und in einem mehrstufigen Axialverdichter. Anschließend wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse aus den beiden genannten Versuchsaufbauten diskutiert. Auf Basis einer weitreichenden Parametervariation lassen sich wesentliche Einflussgrößen auf die untersuchten Interaktionsmechanismen isolieren sowie die Möglichkeiten und Einsatzgrenzen des eingesetzten URANS-Lösers TRACE bewerten.
Aktualisiert: 2020-07-14
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In dieser Arbeit werden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Ausmischen eines turbulenten Nachlaufes eines modernen Hochdruckverdichterprofils vorgestellt. Außerdem wird der Einfluss der Turbulenzmodellierung in RANS Modellen auf die Vorhersage der Amplituden der Harmonischen des Nachlaufes im Rahmen der Forced Response untersucht. Vor dem Hintergrund, dass in modernen Hochdruckverdichtern Blisks mit im Vergleich zu konventioneller Beschaufelung reduzierter mechanischer Dämpfung eingesetzt werden und Vibrationen die häufigste Ursache für das Versagen von Komponenten in Flugzeugtriebwerken sind, kommt der Qualität der Vorhersage der Force Response im Auslegungsprozess eine wichtige Rolle zu.
Grundlage der Studie bilden Messungen am ebenen Gitterwindkanal des Institutes für Strahlantriebe und Turbomaschinen der RWTH Aachen. Das Verdichterprofil wird bei einer Zuströmmachzahl Ma1 = 0.82 und einer Zuströmreynoldszahl Re1 = 790000 betrieben. Durch hochaufgelöste Traversen mit 3D-Hitzdrahtsonden können alle relevanten Strömungs- und Turbulenzgrößen ermessen werden. Auf Basis der Messungen können die Terme des Impulssatzes und der Erhaltungsgleichungen der turbulenten kinetischen Energie und der Reynoldsspannungen bestimmt werden. Somit können das turbulente Gleichgewicht und die dabei wirkenden Mechanismen detailliert beschrieben werden.
Neben den experimentellen Messungen wird ein numerisches Rechengebiet des Nachlaufes verwendet, für das alle Randbedingungen aus Messdaten definiert werden. Da auch im Rechengebiet hochaufgelöste Messdaten vorliegen, kann isoliert die Qualität der Modellierung der Turbulenz durch das Turbulenzmodell bewertet werden. Als Turbulenzmodelle werden das industriell weit verbreitete k-w-Zweigleichungsmodell und das SSG/LRR-w-Reynoldsspannungsmodell verwendet.
Die Arbeit zeigt die wirkenden Mechanismen beim Ausmischen des turbulenten Nachlaufes eines Verdichterprofils auf und quantifiziert die entsprechenden Größenordnungen. Dabei wird der große Einfluss der Historie der Turbulenz in Form der Schaufelumströmung auf das Ausmischverhalten und die Turbulenz deutlich gemacht. Durch die numerischen Untersuchungen werden die Defizite beider Turbulenzmodelle ausgemacht und die Auswirkung dieser Defizite auf die Bestimmung der Amplituden der Harmonischen des Nachlaufes quantifiziert. Auf diese Weise kann der Entwickler die Unsicherheit seiner numerischen Werkzeuge bei der Bewertung der Forced Response präzise einschätzen.
Aktualisiert: 2019-12-27
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