Experimentelle Untersuchung hochbelasteter Verdichterfrontstufen zukünftiger Gasturbinen – Betriebsverhalten und Validierungsverfahren

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines neuen Prüfstandes zur Vermessung transsonischer Axialverdichterstufen am Fachgebiet Gasturbinen-, Luft- und Raumfahrtantriebe der Technischen Universität Darmstadt. Der Aufbau und die Funktionsweise des Prüfstandes, des Verdichtermoduls und die verwendete Messtechnik werden detailliert beschrieben. Anhand der Entwicklung einer standardisierten Messprozedur zur Kennfeldvermessung der Verdichterstufe wird die Vorgehensweise bei der Auswertung der stationären Messdaten erläutert und Methoden zum Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsergebnissen der Verdichterauslegung vorgestellt. Grundlage für die Beurteilung der Vergleichsergebnisse bilden Analysen der Messabweichungen und der Reproduzierbarkeit stationärer Messungen. Das instationäre Betriebsverhalten kann durch eine umfangreiche Instrumentierung des Verdichters mit zeitlich hochauflösender Messtechnik bestimmt werden. Aus den Daten der instationären Wanddruckmessung lassen sich weitere Vergleichsdaten zur Validierung des Auslegungsprozesses ermitteln. Darüber hinaus wird das Versagensverhalten des Verdichters an der aerodynamischen Betriebsgrenze durch Wanddruckmessungen und Messungen der Schaufelschwingungen ermittelt. Im Rahmen der erstmaligen Vermessung des Verdichters konnten unterschiedliche Phänomene während des instabilen Betriebs des Verdichters beobachtet werden. Durch eine Erweiterung der instationären Wanddruckmessung im Zulauf des Verdichters wurde eines dieser Phänomene als akustische Resonanz von Verdichter und Zulaufstrecke identifiziert.

The present thesis deals with the design, construction and commissioning of a new test rig for the investigation of transonic axial compressor stages at the Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion Systems at the Technical University of Darmstadt. The design and operation of the test rig, the compressor module and the measurement technology used are described in detail. Based on the development of a standardized measurement procedure the measurement of the characteristics of the compressor stage, the procedure for evaluating the steady-state measurement data is explained and methods for comparing the experimental data with the simulation results of the compressor design are presented. Analyses of the measurement deviations and the reproducibility of steady-state measurements form the basis for the evaluation of the comparison results. The transient operating behavior can be determined by extensive instrumentation of the compressor with highly time resolving measurement technologies. From the data of the transient wall pressure measurement, further comparative data can be determined for the validation of the design process. In addition, the failure behavior of the compressor at the aerodynamic operating limit will be determined by wall pressure measurements and blade vibration measurements. During the initial measurement of the compressor, different phenomena could be observed during the unstable operation of the compressor. By extending the unsteady wall pressure measurement in the inlet section of the compressor, one of these phenomena was identified as an acoustic resonance of the compressor and the inlet section.