Fundamental Numerical Investigation of Hub Treatments for Cantilevered Stators in Axial Compressors
Final Report Abstract
In dem vorliegenden Forschungsprojekt wurden mit Hilfe von CFD-Simulationen Untersuchungen zu der Anwendung von Hub Treatments bei deckbandlosen Statoren in Axialverdichtern zur Reduktion radialspaltbedingter Verluste und Blockagen durchgeführt. Hierbei wurden in Rotationsrichtung geneigte Axial- und Quasi-Axial-Nuten unter dem ersten Stator eines 2-stufigen Verdichters platziert. Die Studie wurde dabei in eine Untersuchung mit einem konstanten Radialspalt (3.8% rel. Kanalhöhe) und in eine Untersuchung mit variablem Radialspalt (1.5%, 2.5%, 3.8% rel. Kanalhöhe) aufgeteilt. Im ersten Teil der Studie konnte anhand einer thermodynamischen Modellierung zunächst das Potential der HT-Anwendung für die behandelte Stufe abgeschätzt werden. Durch die iterative Gestaltung der Nutgeometrie konnte das Totaldruckniveau eines Stators mit einem 6-fach kleineren Spalt im pumpgrenznahen Bereich erreicht werden. Dabei ergab sich am Punkt maximalen Wirkungsgrads eine Stufenwirkungsgraddifferenz von -0.5%-Punkten. In diesem Betriebspunkt sind die niedrigen Stufenwirkungsgraddifferenzen durch eine Passivierung der Nuten zu erreichen. Der Wert konnte durch weitere Iterationen auf -0.2%-Punkte reduziert werden, allerdings verfügen diese Nuten nur über ca. 75% des zusätzlichen Totaldruckaufbaus im pumpgrenznahen Bereich gegenüber der zuvor genannten Nut. Die totalen isentropen Wirkungsgrade der Nuten können bei stabiler und ablösungsfreier Durchströmung bis nahezu 90% betragen. Die Entropieproduktion konnte im Einblasungsbereich des Stators durch eine abgerundete Nutform und eine Staffelung der Nut entgegen der Schaufel auf das Niveau der glatten Wand gebracht werden. Somit sind gegenüber der glatten Wand innerhalb der Statorpassage nur noch höhere Verluste im Absaugungsbereich zu verzeichnen. Es besteht somit weiterhin bei den Nuten ein Optimierungspotential, sodass mit weiteren Verbesserungen zu rechnen ist. Die Analyse der Interaktion zwischen HT und Stator zeigte, dass bei großen Radialspalten aufgrund der Aufteilung der Spaltströmung in einen unteren und einen oberen Teil, zwei verschiedene Rezirkulationsarten existieren, die sich unterschiedlich auf den statischen Druckaufbau und auf Rückströmungen im Nabenbereich sowie auf die radiale Massenstromverlagerung im Stator und auf die Totaldruck- und Entropieverteilung am Statoraustritt auswirken. Als Auslöser für die Änderung der Rezirkulationsart konnte der double-leakage-Punkt der oberen Spaltströmung detektiert werden, sodass der Wechsel in Abhängigkeit des Betriebspunkts und der Hinterkantenposition des HTs auftritt. Eine zeitgenaue Analyse konnte zeigen, dass die Instationarität an sich einen großen Einfluss auf die Rezirkulation hat und somit Einblasung und Absaugung aufgrund von Massenträgheit und Einschränkungen durch die Schallgeschwindigkeit nur bedingt mit dem Druckfeld der Schaufel korrelieren. Somit wird eine instationäre Zuordnung der die Rezirkulation beeinflussenden Faktoren stark erschwert. Im zweiten Teil der Studie konnte eine Abhängigkeit der Funktionalität der HTs vom Radialspalt aufgezeigt werden. Durch eine Änderung der Spaltströmungstopologie in Abhängigkeit des Radialspalts wird das Druckfeld im Nabenbereich und damit die Rezirkulation der HTs verändert. Durch eine Anpassung der Nutlange an den jeweiligen Radialspalt kann diesem Umstand aber Rechnung getragen werden. Eine Auslegung der Nuten ist also grundsätzlich in Abhängigkeit des Radialspalts durchzuführen. Das größte Anwendungspotential der HTs ergibt sich bei großen Spalten aufgrund des größeren vorhandenen Potentials der Verlustreduktion sowie der einfacheren Umsetzbarkeit der Passivierung im Betriebspunkt maximalen Wirkungsgrads.
Publications
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Numerical Sensitivity Analysis of the Stator Clearance on the Functionality of Axial-Skewed Slot Hub Treatments, Proceedings of International Gas Turbine Congress, Tokyo, 2015, ISBN978-4-89111-008-6
Gand, O., Hoffmann, I., Jeschke, P., Brignole, G.
