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Steady and Unsteady Performance of a Transonic Compressor Stage with Non-axisymmetric End Walls

Reising, Steffen :
Steady and Unsteady Performance of a Transonic Compressor Stage with Non-axisymmetric End Walls.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Steady and Unsteady Performance of a Transonic Compressor Stage with Non-axisymmetric End Walls
Language: English
Abstract:

The development of axial aircraft compressors has led to extremely high stage loadings and therewith reductions in entire engine size and weight. This trend also promotes several disadvantages such as the risks of flow separation and higher secondary flows that are associated with increased stage loading. The application of non-axisymmetric end walls is one approach to reduce blade loading in the end wall regions and to control end wall flow with the main objectives of increasing the component efficiency and the total pressure ratio. The emphasis of this work is to analyze the steady and unsteady performance of a transonic compressor stage with non-axisymmetric end walls where the profiled end wall serves to control the addressed flow inhomogeneities. The axisymmetric layout of Configuration I of the Darmstadt Transonic Compressor serves as the datum design. As a tool to find the optimum non-axisymmetric end wall shape, a fully-automated multi-objective optimizer connected to a steady 3D-RANS flow solver is used. The goal is to analyze how effective such a design tool can work on such a challenging task and to derive first design rules and compare the differences and features in common to the experience made by turbine researchers. In this context, the stator and rotor row of the stage are subsequently and individually optimized. As a further step, the obtained optimized geometries are investigated in unsteady mode. The study demonstrates the potential of profiled end walls to suppress separation phenomena in a stator row with 2D blading involving an enormous increase in efficiency. The exit flow field's whirl angle distribution is made more uniform which is generally desirable for the inlet conditions of a downstream stage. The profiled end wall design proofs to control the static pressure distribution which results in the migration of the loss cores from the end wall onto to the airfoil suction surface. This is identified as the main mechanism responsible for the obtained improvements. For the non-axisymmetric end wall design of the rotor row, a mechanism similar to the principle of lean is observed. The optimized rotor produces blockage and reduces the loss production in the outer regions (>5% channel height) at the expense of an increase in near hub end wall losses. This highlights the different effects of contoured end walls in the rotor and the stator rows and also provides the potential to serve as an alternative to design techniques such as 3D-blading. The unsteady analyses of the different geometries confirm the impact of the rotor wake on the separation phenomena in the downstream stator which cannot be captured by the steady approach. However, they also demonstrate that unsteady phenomena can be neglected during the optimization process of the profiled end walls for this compressor configuration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Entwicklung von modernen Axialverdichtern hat in den letzten Jahren zu hohen aerodynamischen Stufenbelastungen geführt. Dieser Trend bringt allerdings auch Nachteile mit sich. Hierzu gehören eine erhöhten Ablöseneigung der Profile sowie stärker ausgeprägte Sekundärströmungen. Die Applikation von nichtachsensymmetrischen Endwänden ist ein Ansatz, um die Schaufelbelastung im Endwandbereich zu reduzieren unter Beibehaltung des Wirkungsgrads und des Stufendruckverhältnis. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Analyse des stationären und instationären Betriebsverhaltens einer transsonischen Verdichterstufe mit nichtachsensymmetrischen Endwänden, wobei die profilierten Endwände zur Kontrolle und Beeinflussung der genannten Inhomogenitäten dienen sollen. Als Ausgangsgeometrie dient hierfür die achsensymmetrische Ausführung der Konfiguration I des Transsonischen Darmstadt Verdichters. Für das Design der nichtachsensymmetrischen Endwandgeometrie wird ein vollautomatischer Mehrgrößenoptimierungsalgorithmus verwendet, welcher an einen stationären 3DRANS Strömungslöser gekoppelt ist. Erste Konstruktionsregeln für profilierte Endwände in Verdichtern sollen hergeleitet und bezüglich der Unterschiede und Gemeinsamkeiten mit Turbinenanwendungen verglichen werden. In diesem Zusammenhang werden Stator und Rotor individuell und unabhängig voneinander optimiert. Als weitere Schritte folgen instationäre Simulationen zur Originalgeometrie und den optimierten Designs. Die Studie zeigt, dass profilierte Endwände ein großes Potential zur Unterdrückung von Ablöseerscheinungen in 2D-Beschaufelungen besitzen, was zu einer ernormen Wirkungsgradsteigerung des Verdichters führt. Insgesamt resultiert die Optimierung in einer Vergleichmäßigung der Statorabströmbedingungen, was generell von großem Vorteil bezüglich der Anströmbedingungen stromabliegender Stufen ist. Die modifizierte statische Druckverteilung auf den Endwänden führt zu einem Ablösen der Verlustkerne von den Endwänden in radialer Richtung hin zur Kanalmitte. Hierdurch wird die Ansammlung von niederenergetischen Fluid am Schaufelfuß bzw. an der Schaufelspitze verhindert, was in Folge zur Vermeidung der Eckenablösungen führt und als Hauptmechanismus für die erhebliche Performancesteigerung angesehen werden kann. Bezüglich des nicht-achsensymmetrischen Designs des Rotors lässt sich eine Analogie zur Wirkweise der Schaufelneigung bzw. Lean beobachten. Die optimierte Rotorgeometrie führt zu erhöhter Blockage und zu erhöhten Verlusten im Endwandbereich. Dagegen kommt es zu einer Verbesserung der Schnitte im Strömungsfernfeld (>5% Kanalhöhe). Dieser Mechanismus ist grundlegend verschieden von den identifizierten Ursachen der Statorverbesserung. Dies verdeutlicht die verschiedenen Effekte, die die Endwandkonturierung in Rotor- und Statorreihe hervorruft. Ebenfalls wird hierdurch das Potential hinsichtlich einer Alternative bzw. Ergänzung gegenüber Designmethoden wie z.B. 3D-Beschaufelung aufgezeigt. Die instationären Untersuchungen der verschiedenen Designs demonstrieren den Einfluss des Rotornachlaufs auf die Ablöseerscheinungen im stromab liegenden Stators, was durch die stationäre Betrachtungsweise nicht erfasst werden kann. Sie bestätigen aber auch, dass instationäre Phänomene während des Optimierungsprozesses der profilierten Endwände für die vorliegende Verdichterkonfiguration vernachlässigt werden können.German
Uncontrolled Keywords: Turbomachinery, Gas Turbine, Axial Compressor, Transonic, Secondary Flow, Secondary Losses, End Walls, Unsteadiness, Corner Stall CFD, Optimization
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Turbomachinery, Gas Turbine, Axial Compressor, Transonic, Secondary Flow, Secondary Losses, End Walls, Unsteadiness, Corner Stall CFD, OptimizationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Date Deposited: 23 Feb 2011 07:15
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24047
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schiffer, Prof. Dr.- H.-P. and Schäfer, Prof. Dr. M.
Refereed: 19 October 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2404
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  • Steady and Unsteady Performance of a Transonic Compressor Stage with Non-axisymmetric End Walls. (deposited 23 Feb 2011 07:15) [Currently Displayed]

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