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Experimentelle Untersuchung zum Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung eines anderthalbstufigen transsonischen Axialverdichters

Biela, C. :
Experimentelle Untersuchung zum Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung eines anderthalbstufigen transsonischen Axialverdichters.
[Online-Edition]
TU Darmstadt, tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchung zum Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung eines anderthalbstufigen transsonischen Axialverdichters
Language: German
Abstract:

Der Luftverkehr ist ein fester Bestandteil der globalisierten Welt. Die Entwicklung eines effizienten Antriebskonzepts – Anfang des 20. Jahrhunderts – bildete die Grundlage der heutigen Luftfahrt. Für die Auslegung eines neuen Flugtriebwerks müssen die Vorgänge in den einzelnen Komponenten beschrieben und vorhergesagt werden. Bei der Entwicklung von Turboverdichtern werden diese mit Hilfe von numerischen Verfahren modelliert. Die Berechnung der Verdichterkennfelder im Bereich um den Auslegungspunkt werden mit heutigen Verfahren sehr gut abgebildet. Abseits des Auslegungspunkts treten allerdings vermehrt instationäre Effekte auf, die nur durch experimentelle Untersuchungen erfasst und charakterisiert werden können. Verdichter werden in Triebwerken immer mehrstufig eingesetzt. Daher muss die Interaktion der Stufen und deren Auswirkung auf Wirkungsgrad und Stabilität untersucht werden. Die Beschreibung instationärer Effekte spielt hier in allen Betriebspunkten eine wichtige Rolle, weil die Interaktion zweier Schaufelreihen zwangsläufig instationär ist.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Strömung in der neuen Forschungsverdichterstufe IGV-1/Rotor-5/Stator-3 zu untersuchen. Vor allem der Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung und die aerodynamische Betriebsgrenze der Gesamtstufe werden untersucht. Durch die zeitliche und räumliche Auflösung der Messungen stellt diese Arbeit experimentelle Daten zur Verfügung, die es ermöglichen, eine Vielzahl von Theorien zur Strömung in transsonischen Verdichtern zu überprüfen bzw. zu erweitern. Beim Vergleich der gemessenen und simulierten Verdichterkennfelder mit dem Stand der Technik sind keine unerwarteten Abweichungen zur allgemeinen Theorie oder zur reibungsfreien Vorhersage zu erkennen. Position und Form des Verdichtungsstoßes, des Expansionsgebiets und des Spaltwirbels zeigen kein widersprüchliches Verhalten. Es kann deswegen davon ausgegangen werden, dass die dargestellten Effekte auch auf andere Verdichter ähnlicher Bauweise übertragbar sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung nicht nur durch den Profilnachlauf erfolgt. Zusätzlich bildet sich ein Wirbel am Penny-Slot des Vorleitrads. Dieser Wirbel ist maßgeblich für die Umfangsvariation der gehäusenahen Rotorströmung verantwortlich und führt in den Experimenten zu einer Erhöhung des Pumpgrenzabstands von 2%.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Air traffic has a major role in this globalised world. The design of an efficient propulsion concept at the beginning of the 20th century built the foundation of todays aviation business. In order to design a jet engine it is necessary to describe the every part of that engine by means of models. In case of turbo compressors the design process is aided by numerical methods. The calculation and prediction of the compressor map close to the design point of the compressor produces very good results. Away from the design point this is not the case. Unsteady effects of the flow ask for experimental investigations in order to explain and characterise those them. Generally compressors are used in a multi stage setup. Therefore, the interaction of the stages and its impact on efficiency and stability need to be investigated. The description of unsteady effects is of great importance since the interaction of stages is unsteady by its very nature. The Aim of this work is the investigation of the new research compressor stage (IGV-1/Rotor-5/Stator-3). Especially the influence of the inlet guide vane onto the rotor passage flow and the operating range are investigated. This work enables the examination of proposed theories on stage interaction by means of spacial and temporal resolving measurements. No unexpected differences can be found comparing the measured speed lines with the state of the art understanding of compressor flow. Position and shape of the expansion area or the compression shock are comparable to already published investigations. Therefore, it is assumed that the effects described in this work are transferable to other compressors with a similar design. The findings of the experimental and numerical investigation of this work show, that the influence of the guide vane onto the following rotor is not only caused by the wake. An additional effect is found: the Penny Slot Vortex, which is created by the gap between the inlet guide vane and the casing. This vortex is the main cause of the circumferential variation of the the rotor passage flow at the tip region. In the presented experiments the vortex caused a reduction of the stability margin by 2%English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt, tuprints
Uncontrolled Keywords: Verdichter, Turbomaschine, transsonisch, Vorleitrad, Blisk, Verdemod
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
UNSPECIFIEDGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 25 Feb 2013 12:44
Last Modified: 20 Mar 2013 10:23
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3058
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30588
Referees: Schiffer, Prof. Dr.- H.-P. and Niehuis, Prof. Dr.- R.
Refereed: 17 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3058
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