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Untersuchungen zum Einfluss von Gehäusestrukturierungen auf die Stabilität und die Leistungsdaten eines transsonischen Axialverdichters

Müller, Martin Werner :
Untersuchungen zum Einfluss von Gehäusestrukturierungen auf die Stabilität und die Leistungsdaten eines transsonischen Axialverdichters.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen zum Einfluss von Gehäusestrukturierungen auf die Stabilität und die Leistungsdaten eines transsonischen Axialverdichters
Language: German
Abstract:

Der Verdichter stellt die aus aerodynamischer Sicht stabilitätskritischste Komponente eines Triebwerks dar. Sein Versagen kann eine schwere Schädigung oder sogar den Ausfall des gesamten Triebwerks hervorrufen. Um eine ausreichende Betriebssicherheit zu gewährleisten, muss die Arbeitslinie daher so festgelegt werden, dass unter Berücksichtigung aller Betriebszustände ein ausreichender Abstand zur Stabilitätsgrenze vorhanden ist. Die limitierenden Strömungsphänomene treten insbesondere in hochbelasteten, transsonischen Verdichtern oft an der Rotor-Blattspitze auf.

Gelänge es, den Betriebsbereich des Verdichters hin zu niedrigeren Massenströmen zu erweitern, könnte durch Verlagerung der Arbeitslinie bei größerer Sicherheitsreserve ein höheres Druckverhältnis mit erhöhter Effizienz erreicht werden. Hierfür eigenen sich Gehäusestrukturierungen, die eine gezielte Beeinflussung der Strömung im kritischen Blattspitzenbereich erlauben. Da es sich um eine passive Maßnahme handelt, sind die stabilitätsfördernden Mechanismen nur durch Druckkräfte des Strömungsfeldes getrieben.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, einen möglichst umfassenden Überblick über die Auswirkungen von Gehäusestrukturierungen auf die Stabilität und die Leistungsdaten einer transsonischen Verdichterstufe zu geben.

Die vorgestellten Ergebnisse stammen aus experimentellen Untersuchungen mit Umfangsnuten als Gehäusestrukturierung. Die Leistungsdaten werden den Referenzmessungen mit glattem Gehäuse gegenübergestellt. Hochauflösende Messverfahren erlauben die detaillierte Diskussion der Versagensmechanismen beider Konfigurationen. Es zeigt sich, dass die Spaltwirbel-Stoß-Interaktion einen entscheidenden Einfluss auf die Blockageentstehung an der Blattspitze hat. Die Konfiguration mit Umfangsnuten zeigt einen deutlichen Zugewinn an stabilem Arbeitsbereich, die stabilitätskritischen Mechanismen treten aber weiterhin an der Blattspitze auf.

Weitere Untersuchungen zeigen die positiven Auswirkungen eines Rotor-Neuentwurfs mit Vorwärtspfeilung sowie die veränderte Charakteristik der Stufe mit einer nicht-achsensymmetrischen Gehäusestrukturierung. Die Ergebnisse werden jeweils mit der Basiskonfiguration aus dem ersten Teil verglichen und dienen der Potentialabschätzung.

Parametervariationen beider Gehäusestrukturierungen zeigen den Einfluss der geometrischen Gestaltung sowie deren Vorteile und Grenzen der Nutzbarkeit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The compressor represents the most critical component for the aerodynamic stability of modern aero engines. Its malfunction (stall) may cause severe damage or even complete destruction of the engine. Therefore, the working line of the compressor must be defined with a sufficient margin towards the stability limit in order to assure an adequate reliability while considering the whole operational envelope. Especially for highly loaded transonic compressors, the limiting aerodynamic phenomena occur at the blade tip. An extension of the operation range towards lower mass flows would allow an adjustment of the working line. A compressor, then, could provide a higher stall margin while delivering an increased total pressure ratio at a higher efficiency. Casing treatments are suitable therefore as they influence flow features at the critical blade tip. As a passive means, stability enhancing mechanisms are only driven by pressure gradients in the flow field. The goal of this report is to provide a comprehensive overview on the impact of casing treatments on the stability and the performance of a transonic compressor stage. All results shown are derived from experiments with a circumferentially grooved casing. The performance measurements are compared to a reference setup with smooth casing. High-resolution techniques allow a detailed discussion of the stability-limiting mechanisms in both configurations. It is shown that the shock-vortex-interaction has a distinct impact on the blockage growth in the tip region. The grooved casing configuration provides a substantial increase in operating range, however, the stability limiting mechanisms still occur at blade tip. Further investigations show the favourable effects of a new rotor design with forward-swept blades and the changed characteristics with a non-axisymmetric casing treatment (inclined axial slots). All results are compared to the basic configuration and used to assess the potential of circumferential grooves. Parameter variations of both casing treatments show the impact of the CT design, and the individual advantages and limitations of their use.English
Uncontrolled Keywords: Transsonische Verdichter, Gehäusestrukturierung, Stabilitätsgrenze, Pumpgrenze, Strömungsphänomene, Spaltwirbel, Blockage, Stoßsystem, Prüfstand, Strömungsmessung, Axialschlitze, Umfangsnuten
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
transonic compressor, blisk, casing treatment, stall margin, surge margin, surge, stability limit, flow phenomena, tip leakage vortex, blockage, shock system, test rig, flow measurements, axial slots, circumferential groovesEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Date Deposited: 09 Nov 2011 09:38
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27832
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schiffer, Prof. Dr.- Heinz-Peter and Mönig, Prof. Dr.- Reinhard
Refereed: 17 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2783
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