Untersuchung von Rotierenden Instabilitäten an einem stehenden Ringgitter mittels High-Speed Particle Image Velocimetry (HS-PIV)

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 118926708

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Das aeroakustisch gekoppelte Phänomen der Rotierenden Instabilität (RI) tritt in Axialverdichtern im Bereich kritischer Betriebszustände auf, vorwiegend in Konfigurationen mit großen Spaltweiten. In Interaktion mit rotierenden Komponenten kann RI zu breitbandig abgestrahltem Lärm und durch die Anregung der Eigenfrequenzen der Verdichterschaufeln zu Vibrationen führen. Die zuverlässige Detektion der Rotierenden Instabilität sowie das umfassende Verständnis über den Entstehungsmechanismus dieses Phänomens können deshalb einen Beitrag zur Entwicklung von sicheren, effizienten und leiseren Verdichtern liefern. Im Rahmen des Teilprojekts TP2 wurde die zeitlich und räumlich aufgelöste Strömungsdynamik während der RI mittels des berührungslosen, optischen Messverfahrens High-Speed Particle Image Velocimetry (HS-PIV) in einem Ringgitter ohne rotierende Bauteile untersucht. Die Erkenntnisse liefern einen Beitrag zu einem besseren Verständnis des Wirkungsmechanismus der Rotierenden Instabiltäten. Die wichtigsten Ergebnisse sind im Folgenden zusammengefasst: i. Die Rotierende Instabilität tritt im vorderen Bereich der Passage in Nabennähe (Blattspitzenbereich) auf. ii. In diesem Bereich wurde eine Verblockung der Passage mit stochastisch auftretender Rückströmung aus der Passage heraus nachgewiesen. Bei der Betrachtung des dreidimensionalen, stationären Strömungsfeldes wurde ein starker Einfluss der Passagenquerströmung sowie der stromauf wirkenden Eckenablösung auf die Strömungstopologie während der RI festgestellt. iii. Die spektralen Eigenschaften der RI wurden in den allen drei Komponenten der Geschwindigkeitsfelder nachgewiesen. Im Leistungsspektrum der Geschwindigkeitskomponenten wurden nebeneinanderliegende Peaks in einem festen Frequenzabstand zueinander detektiert. Jeder Peak entspricht dabei einer umlaufenden Mode einer festen Modenordnung. iv. Für die dominanten Moden wurden in Umfangsrichtung wandernde kohärente Strömungsstrukturen identifiziert und visualisiert. Die auftretenden Wirbelstrukturen weisen dabei einen alternierenden Rotationssinn auf. v. Der Wirkungsmechanismus für die RI scheint unabhängig von der Existenz eines Spaltes zu sein. Die RI-Signatur sowie die umlaufenden Wirbelstrukturen wurden sowohl im Stator mit 3%-Spaltweite als auch in der spaltlosen Konfiguration nachgewiesen. Die Erkenntnisse stehen im Kontrast zu den bestehenden Modellen, welche den instationären Spaltwirbel als Hauptursache für die RI sehen, und unterstützen die von TP3 formulierte Hypothese zum Wirkungsmechanismus der RI basierend auf der Vorstellung von umlaufenden Scherschichtinstabilitäten.

Publications

• „Experimental investigations of rotating instabilities in a steady compressor grid with high speed particle image velocimetry“, in Proceedings of CMFF, 2012
  R. Sorge und P.U. Thamsen
  
• „Influence of the clearance size on rotating instability in an axial compressor stator“, In Proceedings of 10th European Turbomachinery Conference, 15. - 19. April, Lappeenranta, Finland, 2013
  C. Beselt, B. Pardowitz, R. van Rennings, R. Sorge, D. Peitsch, L. Enghardt, F. Thiele, K. Ehrenfried und P.U. Thamsen
  
• „Rotating instability in an annular cascade: Detailed analysis of instationary flow phenomena“, In Proceedings ASME Turbo Expo 2013, 3.- 7. Juni, San Antonio, USA, number 2013-95820, 2013
  B. Pardowitz, U. Tapken, R. Sorge, P.U. Thamsen und L. Enghardt
  
• Rotating instability in an annular cascade: Detailed analysis of the instationary flow phenomena, ASME J Turbomach, 136(6):061017, 2014
  B. Pardowitz, U. Tapken, R. Sorge, P.U. Thamsen, und L. Enghardt
  
• „Localization of Rotating Instability Characteristic Signatures in Axial Compressor Cascade “, The 15th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, Hawaii, 24.-28. Februar 2014
  P.U. Thamsen und R. Sorge
  
• Visualization of secondary flow structures caused by rotating instability: Synchronized stereo high-speed piv and unsteady pressure measurements. In 45th AIAA Fluid Dynamics Conference, 22.-26. June 2015, Dallas, Texas
  B. Pardowitz, J. Peter, U. Tapken, P.U. Thamsen, und L. Enghardt
  
• Advanced Stereo High-Speed PIV in an Annular Cascade without Clearance: Evidences of Rotating Instability. In Proceedings of 12th European Turbomachinery Conference, 2017. 12 S.
  J. Peter, B. Pardowitz, M. Eck, L. Enghardt, D. Peitsch und P.U. Thamsen