Aktive Unterdrückung von Rotating Stall in einem Axialverdichter mit pulsierender Lufteinblasung

In dieser Arbeit konnte mit Hilfe eines neu entwickelten Aktors gezeigt werden, daß das Verdichterinstabilitätsphänomen Rotating Stall über einen weiten Betriebsbereich hinweg unterdrückt werden kann. Dabei war es weder notwenig, sog. "Stall Precursor" für einen aufwendigen Regelkreis zu detektieren, noch mußte Energie durch Abblasen verschwendet werden. Mit dem in dieser Arbeit neu entwickelten Aktor, der auf dem Prinzip eines schnellschaltenden, rotierenden Ventils beruht, kann direkt mit Luftpulsen hoher Geschwindigkeit auf die Umströmung des Laufrades Einfluß genommen werden. Der Aktor wurde vor dem Verdichterlaufrad (Abstand eine Schaufelsehnenlänge) eingebaut, und seine Wirkung auf die Verdichterströmung und auf das Verdichterkennfeld in Abhängigkeit von Aktorpulsationswinkel, -frequenz und -geschwindigkeit (Versorgungsdruck) wurde untersucht. Dazu wurden stationäre pneumatische Fünflochsonden mit Druckscannern zur Messung des Kennfeldes von Laufrad und Verdichterstufe und Hitzdrahtsonden zur Erfassung der instationären Vorgänge am Laufrad verwendet. Mit Hilfe des Aktors war es möglich, den Betriebsbereich eines einstufigen Axialverdichters um bis zu 23 Prozent hin zu geringeren Massenströmen, bezogen auf den Massenstrom an der bisherigen Stabilitätsgrenze, zu erweitern. Zum Erreichen dieser Kennfelderweiterung wurde ein Aktormassenstrom von ca. 2.5 Promill des Verdichtermassenstroms bei einem Druck von 2.5 bar eingesetzt. Weiter konnte gezeigt werden, daß durch das Zuschalten des Aktors ein bereits bestehender "Rotating Stall" eliminiert werden kann, auch wenn der Betriebspunkt des Verdichters sich weiterhin im ehemaligen Instabilitätsgebiet befindet. Der Verdichter erreicht also direkt, ohne das Durchlaufen einer Hysterese, einen stabilen Betriebspunkt. Damit kann das in dieser Arbeit vorgestellte Aktorsystem zu einer zusätzlichen Sicherheit beim Betrieb einer Verdichteranlage beitragen und gleichzeitig die Effektivität dieser Anlage steigern.

In this thesis could be shown, that a new developed actuator is able to suppress the instability phenomenon "Rotating Stall" in a low speed axial compressor in an wide range of the compressor performance map. For that purpose it is neither necessary to detect the so called "Stall precursor" for the use in a control loop, nor it is necessary to waste energy by using bleed-valves to control the stability of the compressor. The new actuator, based on a rotary valve, can be used to act on the flow around the rotor blade directly with high speed, high frequent air pulses. The actuator is mounted in front of the compressor rotor (distance one chord-length). Every blade should be hit by an air pulse once a rotor rotation. The results are examined in dependence of the angle of the air pulses, the pulse frequency, and the velocity of the pulse (supply pressure). It is very important to synchronize the actuator pulse with the rotor blades to achieve the optimal results. To obtain the compressor performance maps pneumatic 5-hole-probes are used at the compressor inlet and behind the rotor. The instationary velocity distributions are measured with hot-wire-probes in the inlet and outlet plane of the compressor rotor. With the actuator it is possible to extend the compressor performance map up to 23 percent refer to the mass flow at the stability limit using 2.5 permil of these mass flow for the actuator with a pressure of 2.5 bar. Furthermore it could be shown, that it is possible to eliminate a fully developed "Rotating Stall", even the compressor is in the former instability region; the compressor recovers its stable operation point without any hysteresis. Thereby the new actuator system can improve the compressor's security and efficiency.