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Beeinflussung der Spaltströmung von Transsonischen Axialverdichtern durch Forward Sweep

Kablitz, Stephan :
Beeinflussung der Spaltströmung von Transsonischen Axialverdichtern durch Forward Sweep.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Beeinflussung der Spaltströmung von Transsonischen Axialverdichtern durch Forward Sweep
Language: German
Abstract:

In der vorgelegten Arbeit wird die Anwendbarkeit eines weiterentwickelten aerodynamischen Entwurfskonzepts für Beschaufelungen von transsonischen Axialverdichtern experimentell und numerisch untersucht. Das vorgestellte Enwurfskonzept beeinflußt direkt den Entstehungsmechanismus von Verdichterinstabilitäten. Ein typischer Auslöser für den Übergang in die Instabilität bei transsonsichen Axialverdichtern ist eine Blockage der Hauptströmung im Bereich der Gehäuseseitenwand. Diese Blockage entsteht durch eine starke Interaktion der Spaltströmung zwischen Schaufelspitze und Gehäuse, der Hauptströmung und dem Verdichtungsstoß in der Schaufelpassage. Die zunächst auftretende Vermischung von Spaltströmung mit der Hauptströmung durch die Passage bringt einen charakteristischen Spaltwirbel hervor, der im stabilen Verdichterbetrieb in Richtung der Hauptströmung durch die Beschaufelung transportiert wird. Drosselt man den Verdichter über ein kritisches Druckverhältnis hinaus an, kann der Wirbel nicht länger gegen den erhöhten Gegendruck transportiert werden und platzt auf. Der Zusammenbruch der Strömung im Gehäusebereich führt dann zu instabilem Verdichterbetrieb („Rotating Stall“ oder auch „Pumpen“). Es ist die These dieser Arbeit, daß durch gezielte Verschiebung der Profilschnitte im Bereich der Blattspitze stromaufwärts („Forward Sweep“) bei gleichzeitiger Vergrößerung der Sehnenlänge der Arbeitsbereich von transsonischen Axialverdichtern erheblich erweitert werden kann. Am transsonischen Verdichterprüfstand des Fachgebiets wurden zwei Rotoren vergleichend zunächst experimentell untersucht. Der erste Rotor, Rotor 1, basiert auf einem Entwurfskonzept, wie es dem Stand der Technik von vor ca. 10 Jahren entspricht. Der neue Rotor 3 wurde mit dem vorgestellten, weiterentwickelten Entwurfskonzept ausgelegt. Der Kennwert „Pumpgrenzabstand“, der den Abstand des Auslegungspunkts von der Stabilitätsgrenze angibt, konnte mit dem neuen Konzept bei Nenndrehzahl von 8% auf 30% ausgebaut und der Wirkungsgrad der Verdichterstufe konnte gleichzeitig um ca. 1% gesteigert werden. Um die Vorgänge in der Spaltströmung zu untersuchen, die dem Experiment nicht zugänglich sind, wurden zusätzlich numerische Untersuchungen beider Rotoren durchgeführt. Es konnten hierbei geeignete Kennzahlen und Kriterien identifiziert werden, die schon bei der Auslegung einer Beschaufelung einen Rückschluß auf die Auswirkung von Entwurfsvariationen auf den Pumpgrenzabstand erlauben. Die vorgestellten Ergebnisse belegen die Leistungsfähigkeit des Entwurfskonzepts und erhärten damit die aufgestellte These.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The effects of sweep and lean have been in discussion for quite a while (Denton and Xu 1999+2002, Hah et. al. 1998, Wadia et. al. 1998), and it seems to be general consensus, that for axial transonic compressors forward sweep and lean in the direction of the blade‘s rotation lead to substantial benefits in terms of performance and operating range. The exact reasons why forward sweep allows for a much wider operating range in throtteled flow conditions is not yet completely understood. In numerical studies (Wilke and Kau 2002) the role of the tip leakage vortex close to stall has been investigated in detail. The numerical results indicate, that prior to stall inception the pressure in the core of the tip leakage vortex is decreasing to a level, where it is not sufficient to flow against the pressure rise imposed by the passage shock. Another critical parameter is the length of the flow path upstream of the shock, which allows for some reenergizing of the vortex core. To increase the operating range of a given transonic blading, this paper proposes to use forward sweep confined to the blade tip in combination with an increased blade chord to lower the tip loading an thereby weakening the tip leakage vortex and secondly to increase the flow path length of the vortex to allow for further reenergizing. To prove this idea, a forward swept axial transonic rotor was designed by MTU Aero Engines and tested by Darmstadt University of Technology in a joint research program funded by the German Ministry of Economics. Compared to the baseline design of Darmstadt‘s Rotor No.1, the concept of the new Rotor No. 3 was able to reduce the no. of blades from 16 to 14 and features a considerable amount of forward sweep in the tip region.English
Uncontrolled Keywords: Axialverdichter, transsonisch, Spaltströmung, Spaltwirbel, Verdichterinstabilität
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Axialverdichter, transsonisch, Spaltströmung, Spaltwirbel, VerdichterinstabilitätGerman
axial, compressor, transonic, tip leakage vortex, compressor instabilityEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000402
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4028
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Stoffel, Prof. Dr.- Bernd
Advisors: Hennecke, Prof. Ph. Dietmar K.
Refereed: 12 November 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/402
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