Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Blattspitzenströmung und Schaufelschwingungen in einem hochbelasteten Axialverdichter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Optimierung moderner, hochbelasteter Verdichterstufen ist die Untersuchung der Blattspitzenströmung von hohem Interesse, da aufgrund der Wechselwirkung zwischen Hauptströmung und Spaltströmung ein Großteil der Verluste im Blattspitzenbereich entsteht. Sowohl die numerische Simulation als auch die experimentelle Erfassung der Wechselwirkung zwischen Strömungsphänomenen im Blattspitzenbereich und der Schwingung der Rotorschaufeln stellt jedoch weiterhin eine große Herausforderung dar. Daher erfolgten an der MST die Auslegung und der Aufbau eines optischen Messsystems zur Erfassung sowohl der Schaufelgeschwindigkeit und -position als auch des Geschwindigkeitsprofils der Spaltströmung. Mit dem realisierten System ist die experimentelle Untersuchung von Schaufelschwingungen am Verdichterprüfstand möglich und es konnte erstmals die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Blattspitzenspalts vermessen werden. Messungen der Schaufelschwingungen waren mit hoher Zeitauflösung möglich und konnten an schwingungskritischen Betriebspunkten des Verdichters erfolgen. Für die Messungen der Strömungsgeschwindigkeit war auf Grund der geringen Partikeldichte im Messvolumen eine große Anzahl an Mittelungen von Nöten, weshalb diese Messungen an sicheren Betriebspunkten des Verdichters durchgeführt wurden. Weiterhin wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens am Fachgebiet GLR eine detaillierte numerische und experimentelle Analyse zweier moderner Verdichtergeometrien durchgeführt. Die numerischen Daten wurden mit experimentellen Daten verglichen und validiert. Anhand der numerischen Datenbasis konnten die Vor- und Nachteile von Vernetzung, Wandauflösung, Turbulenzmodellen und Solvereinstellungen erarbeitet werden. Die Abbildungsleistung der Strömungslöser wurde im gesamten Betriebsbereich verbessert. Durch den Einsatz moderner Turbulenzmodellierung konnten Simulationen auch nahe der experimentell auftretenden Betriebsgrenze durchgeführt werden. Die Schaufelschwingungsuntersuchungen identifizierten die Spaltströmung an der Blattspitze als maßgeblichen Wirkmechanismus für die auftretenden Schwingungen. Drehzahl- und Spaltvariationen, die sowohl numerisch, als auch experimentell durchgeführt wurden, trugen dazu bei, eine kritische Ausbreitungsgeschwindigkeit des Fluid in Umfangsrichtung zu identifizieren. Im Rahmen der durchgeführten Messkampagnen sind am Verdichterprüfstand des GLR Rotorgeometrien mit unterschiedlichen Gehäusespalten detailliert untersucht worden. Dabei traten Schwingungen bei nominalem Laufspalt und sich davon unterscheidende Schwingungen bei vergrößertem Laufspalt auf. Die Schwingungen mit nominalem Laufspalt konnten durch eine große experimentelle und numerische Datenbasis detailliert analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich werden könnte, durch rein aerodynamische Simulationen mit geringem Rechenaufwand Abschätzungen zum Schwingungsverhalten der Verdichterrotoren früh in deren Designprozess zu integrieren. Die Schwingungsmechanismen mit vergrößertem Laufspalt sind Gegenstand weitergehender experimenteller und numerischer Untersuchungen. Es zeigte sich also, dass der Laufspalt das Auftreten von Schaufelschwingungen maßgeblich beeinflusst. Im Betrieb von modernen, hochbelasteten Verdichten kommt es zu schnellen Lastwechseln und dem Beschleunigen und Verzögern des Rotors. Für den sicheren Betrieb moderner Verdichter ist es daher unabdingbar die auftretenden Phänomene zu verstehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Mechanism of Flutter in a Transonic Compressor Rig and Aeroelastic Stabilization“, Journal of Turbomachinery, TURBO-15-1240
D. Möller, M. Jüngst, F. Holzinger, C. Brandstetter, S. Leichtfuss, H.-P. Schiffer
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“A laser-optical sensor system for vibration detection of high-speed compressors”, Mechanical Systems and Signal Processing, 64-65:337- 346, 2015
M. Neumann, F. Dreier, P. Günther, U. Wilke, A. Fischer, L. Büttner, F. Holzinger, H.- P. Schiffer, J. Czarske
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„Numerical investigation of tip clearance flow induced flutter in an axial research compressor“, Proceedings of ASME Turbo Expo 2016, Seoul, South Korea, GT2016-56956
D. Möller, M. Jüngst, F. Holzinger, C. Brandstetter, S. Leichtfuss, H.-P. Schiffer
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(2018): Coupling of tip leakage flow and blade vibration in transonic compressors. Mechanism and countermeasures. 1. Auflage. Aachen: Shaker (Forschungsberichte aus dem Institut für Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe, 9). 258 S.
Holzinger, Felix
