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Passive Kontrolle der wandnahen Strömung in Axialkompressoren durch Modifikation der Annulusgeometrie

Heinichen, Frank :
Passive Kontrolle der wandnahen Strömung in Axialkompressoren durch Modifikation der Annulusgeometrie.
TU Darmstadt, tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Passive Kontrolle der wandnahen Strömung in Axialkompressoren durch Modifikation der Annulusgeometrie
Language: German
Abstract:

Um der Forderung nach Flugtriebwerken mit niedrigerem Treibstoffverbrauch kurz- oder mittelfristig zu genügen, müssen die einzelnen Triebwerkskomponenten über das aktuell erreichte Niveau hinaus verbessert werden. So soll der Wirkungsgrad des Verdichtermoduls steigen und gleichzeitig einen für den sicheren Betrieb der Maschine ausreichenden stabilen Arbeitsbereich aufweisen. Ein wichtiger Weg zum Erreichen dieses Ziels führt über die Kontrolle der verschiedenen Sekundärströmungsphänomene. Zusätzlich zu den diesem Zweck dienenden, bereits etablierten Technologien befinden sich aktuell diverse aktive und passive Methoden in der Entwicklung. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei verschiedene passive Methoden, welche als Modifikation der Naben- und Gehäusewände klassifiziert werden können. Verschiedene Axialverdichter wurden mit nicht-achsensymmetrischer Endwandkonturierung sowie Gehäusestrukturierung ausgestattet, um ihre aerodynamischen Leistungsparameter zu verbessern. Der Großteil der Ergebnisse beruht auf 3D-CFD-Simulationen. Zu Validierungszwecken wurden zusätzlich experimentelle Resultate herangezogen. Für die nicht-achsensymmetrische Endwandkonturierung wurde ein halbautomatischer Auslegungsprozess entwickelt. Er wurde dazu genutzt, die Rotornabe sowie Nabe und Gehäuse des Stators eines 1,5-stufigen transsonischen Forschungsverdichters zu konturieren. Zusätzlich wurde die Statornabe eines zweistufigen Niedergeschwindigkeitsverdichters konturiert, um das Verbesserungspotenzial unter der Einwirkung von Deckbandleckage zu untersuchen. Es konnte numerisch demonstriert werden, dass sich durch eine Konturierung die Querkanalströmung so beeinflussen lässt, dass die lokalen Totaldruckverluste sinken und die Umlenkung verbessert wird. Der Betrag dieser Verbesserungen war signifikant erhöht, wenn die Referenzvariante mit achsensymmetrischen Annuluswänden ein Rezirkulationsgebiet nahe der zu konturierenden Endwand aufwies. In diesem Fall konnte der polytrope Stufenwirkungsgrad um mehr als ein Prozent gesteigert werden. Für den Fall eines Stators ohne relevantes Rezirkulationsgebiet wurden sowohl Schaufel- als auch Endwandgeometrie modifiziert, was zu einer Wirkungsgradsteigerung von 0,3% führte. Aufgrund des geringen benötigten Bauraums und der einfachen Geometrie wurde die Gehäusestrukturierung als einzelne Umfangsnut ausgeführt. Die Gehäusestrukturierung wurde auf den Rotor des 1,5-stufigen Forschungsverdichters sowie zwei weiteren transsonischen Verdichterrotoren appliziert. In allen Fällen wurde ein verbesserter Arbeitsbereich bei konstantem oder verbessertem Wirkungsgrad beobachtet. Die weitere Analyse zeigte, dass dies über eine Beeinflussung der Interaktion zwischen dem Rotorspaltwirbel und dem Stoß erreicht wurde. Die der Umfangsnut zuzuordnenden Verbesserungen waren um so höher, je größer der Anteil dieser Stoß-Wirbel-Interaktion am aerodynamischen Instabilitätsmechanismus des jeweiligen Rotors war.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Due to the short and mid term needs for aircraft engines with reduced fuel consumption, each engine component has to be improved beyond the level currently achieved. Hence, the efficiency of the compressor has to increase while maintaining sufficient working range for safe and reliable engine operation. One way to achieve this goal is the control of the various secondary flow phenomena. In addition to the technology already available for this purpose, several new active and passive methods are currently under development. The current investigation covers two different passive methods, both of which can be classified as modifications of the hub and casing end walls. Several axial compressors were equipped with Non-Axisymmetric Annulus Contouring and Casing Treatment in order to improve their aerodynamic performance. The majority of the results is based on 3D-CFD simulations. Experimental results were used to validate the numerical models. A semi-automatic process was used for the design of the Non-Axisymmetric Annulus Contouring. It was applied to the rotor hub as well as the stator hub and casing end walls of a 1.5-stage transonic research compressor. In addition, the stator hub of a two-stage low speed compressor was contoured in order to investigate the improvement potential of this technology in the presence of shroud leakage. It was demonstrated that contouring was influencing the passage cross flow, leading to reduced total pressure loss and improved flow turning. The amount of improvement was significantly higher if the reference variant with axisymmetric annulus geometry showed a recirculation zone close to the end wall under consideration. Polytropic stage efficiency could be improved by more than 1.0 percent for such a case. For a stator without a relevant recirculation zone, 0.3 percent efficiency improvement was achieved by a combination of blade and annulus modification. Due to its' simple geometry and small size, a single circumferential groove was selected as the Casing Treatment for the investigation. This Casing Treatment was applied to the rotor of the 1.5-stage research compressor as well as two other transonic rotors. Improved working range at constant or improved efficiency was observed in all cases. Detailed analysis showed that this was achieved by influencing the interaction of the tip clearance vortex and the passage shock. The improvement achieved by the Casing Treatment was higher for rotors where the aerodynamic instability was dominated more clearly by this shock-vortex interaction.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt, tuprints
Uncontrolled Keywords: Verdichter, Turbomaschine, Auslegung, CFD, Sekundärströmung, Gehäusestrukturierung, Konturierung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Compressor, turbomachinery, design, secondary flow, casing treatment, contouringEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 29 Jul 2013 08:48
Last Modified: 29 Jul 2013 08:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33940
Referees: Schiffer, Prof. Dr. Hans-Peter and Peitsch, Prof. Dr. Dieter
Refereed: 28 November 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3394
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