Strömungsinduzierter Schall in Turbomaschinen - Die Rotierende Instabilität -

• Applicants: Privatdozent Dr. Klaus Ehrenfried; Professor Dr. Lars Enghardt; Professor Dr.-Ing. Dieter Peitsch; Professor Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines ; Fluid Mechanics
• Term: from 2013 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 238477375

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Im vorliegenden DFG-Projekt wurden experimentelle Untersuchungen an einem Verdichterstator durchgeführt. Bei hohen aerodynamischen Schaufelbelastungen konnte die RI identifiziert und anhand verschiedener Messmethoden parametrisch analysiert werden. Zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messtechniken ermöglichten die Visualisierung des hochgradig instationären Strömungsfeldes am Ausbreitungsort der RI. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des zugrunde liegenden Wirkmechanismus bei. Die wichtigsten Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden: 1. Die primären spektralen Merkmale der RI sind in Rotoren und Statoren vergleichbar. Beide Konfigurationen weisen im RI-Fall umlaufende Druckschwankungen mit unterschiedlichen Umfangsmodenordnungen auf. Die einzelnen RI-Moden treten stochastisch und unabhängig voneinander auf. 2. Das Teilungsverhältnis hat einen erheblichen Einfluss auf die Ausbildung von RI. Je kleiner das Teilungsverhältnis, desto kleiner ist der Inzidenzwinkel, ab welchem RI ausgelöst wird. Bei gleicher aerodynamischer Schaufelbelastung weisen die RI-Druckfluktuationen in der Kaskade mit vergleichsweise kleinem Teilunsgverhältnis deutlich erhöhte Amplituden auf. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass sich die dominanten Umfangsmoden mit abnehmendem Teilungsverhältnis hin zu kleineren Moden verschieben. 3. Eine über den Umfang geschlossene Rückströmung im Blattspitzenbereich gilt als Auslösekriterium für RI. Sobald dieses Kriterium erfüllt ist, konvektieren im Bereich der Schaufelvorderkanten stochastische Störungen in Umfangsrichtung. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Störungen korreliert mit den Frequenzabständen der Einzelpeaks in der spektralen RI-Signatur. Während die Störungen um den Umfang wandern, induzieren sie auf der Seitenwand lokal niedrige, statische Drücke. Die jeweilige Modenordnung wird durch die stetig variierende Umfangsanordnung der Störungen vorgegeben. Zusätzlich wandern Anteile der Störungen durch die Passage stromabwärts. 4. Je größer die Schaufelbelastung ist, desto weiter verschiebt sich der Ausbreitungsort der umlaufenden Strörungen stromaufwärts, der Anteil der durch die Passage abschwimmenden Störungen nimmt stetig ab. Unter Einbeziehung der High-Speed Stereo PIV Ergebnisse aus anderen Teilprojekten (TP2 und TP3) lässt sich schlussfolgern, dass die Störungen im Gittereintrittsbereich durch kohärente Strukturen repräsentiert werden. Die betreffenden Wirbelstrukturen sind normal zur Seitenwand ausgerichtet und weisen einen alternierenden Rotationssinn auf. Der Entstehungsmechanismus der Wirbel bietet Potential für zukünftige Forschungsarbeiten.

Publications

• Experimental and numerical investigation of the unsteady endwall flow in a highly loaded axial compressor stator. ASME Turbo Expo 2014, GT2014-25944, June 2014
  C. Beselt, R. van Rennings, D. Peitsch, F. Thiele, K. Ehrenfried
  
• Three-Dimensional Flow Field in Highly Loaded Compressor Cascade. Journal of Turbomachinery, 136(10), October 2014
  C. Beselt, M. Eck and D. Peitsch
  
• Detailed measurements of the unsteady pressure field in the area of origin of Rotating Instability. ISUAAAT 14, September 2015
  M. Eck, C. Tiedemann and D. Peitsch
  
• Experimentelle Untersuchung von Sekundärströmungsphänomenen in einer Verdichter-Stator-Kaskade. Dissertation, TU Berlin, 2016
  C. Beselt