Auslegung eines neuen Rotors zur Nutzung des Umlenkungspotentials eines Strahlklappen-Stators, experimenteller Nachweis einer Arbeitsbereichserweiterung im Verdichterkennfeld sowie Untersuchung des Einflusses der aktiven Strömungsbeeinflussung auf die Seitenwandströmungen und die übrigen Verdichterstufen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Statorschaufel mit Ausblasung über einen Coanda-Radius zur aktiven Strömungsbeeinflussung (Strahlklappe) in mehrstufigen Axialverdichtern ausgelegt, gefertigt, sowie numerisch und experimentell untersucht. Eine mittels CFD-Berechnungen vorhergesagte Erhöhung der aerodynamischen Schaufelbelastung durch die Ausblasung mit dem Ziel, die Schaufelanzahl zu reduzieren, konnte bereits in der ersten Förderperiode experimentell nachgewiesen werden. Nach der erfolgreichen Messung einer Kennlinie kam es jedoch zu einer Havarie durch einen abgerissenen Strahlklappen-Deckel, wobei der überwiegende Anteil der Verdichterbeschaufelung zerstört wurde. Als Ursache konnte eine fehlerhafte Schweißnaht am Deckel identifiziert werden, weshalb eine umfangreiche Anpassung der Konstruktion des Strahlklappen-Stators für weitere experimentelle Untersuchungen erforderlich wurde, die in der zweiten Förderperiode erfolgreich umgesetzt wurde. In den experimentellen Untersuchungen dieses Strahlklappen-Statorgitters mit der Schaufelanzahl der Referenz konnte gezeigt werden, dass im Auslegungspunkt ADP ohne Ausblasung der Totaldruck und auch der Wirkungsgrad unverändert blieb. Damit ist einerseits nachgewiesen, dass diese Konstruktion einer Ausblas-Schaufel keine signifikanten Wirkungsgradeinbußen verursacht, wenn die Einblasung nicht genutzt wird. Im vorliegenden Fall ist im Nennbetrieb also kein aktiver Eingriff in die Strömung erforderlich, um das Referenzniveau im ADP zu erreichen. Für höhere Verdichtermassenströme als im ADP konnte ein Totaldruckgewinn von bis zu 1,5 % ohne Wirkungsgradeinbuße erreicht werden. Die war ohne die ursprünglich beabsichtigte Anpassung der Geometrie der Rotorschaufeln möglich, die numerisch untersucht wurde, aber wegen geringen Nutzens nicht umgesetzt wurde. Da die Ausblasung im ADP eine Druckaufbauerhöhung von nur 1% erreichte, kann sie nur zur Verringerung der Schaufelzahl (siehe erste Förderperiode), nicht aber zur Reduktion der Stufenzahl (zweite Förderperiode) genutzt werden. Entgegen der ursprünglichen Annahme ganze Verdichterstufen durch einen signifikant höheren Druckaufbau einsparen zu können, besteht also das höchste Potential einer Ausblasung über einen Coanda-Radius an der Hinterkante einer Verdichterschaufel daher darin, dass 1. der Druckaufbau im Off-Design (hier: erhöhter Massenstrom) ohne Wirkungsgradverlust gesteigert wird oder 2. die Schaufelzahl und damit die Solidity verringert und damit Kosten und Gewicht eingespart werden, ohne Einbußen im Druckaufbau und Wirkungsgrad am ADP; 3. an Betriebspunkten, an denen die Ausblasung nicht verwendet wird, die Wirkungsgrade nicht beeinträchtigt werden. Im naben- und gehäusenahen Strömungsfeld sowohl stromab der AFC-Stators als auch in den Rotornachläufen zeigen in den Messergebnissen keine signifikanten Unterschiede in der Ausprägung der Sekundärströmungsgebiete. Der Ausblasschlitz erstreckt sich von 5 - 95 % nahezu über die gesamte Schaufelhöhe, erreicht aber in den Randzonen seine konstruktiven Grenzen und die Ausblasung in Richtung der Hauptströmungsrichtung war das erreichte Ziel der Ausblasung, wodurch die Seitenwandströmungen nicht gezielt verändert wurden. Die Effekte der Ausblasung, insbesondere auf die nachfolgenden Stufen, konnten mit den Untersuchungen im Nachlauf der Rotorreihen gezeigt werden. Der Totaldruckgewinn durch die Ausblasung bleibt durch den gesamten Verdichter erhalten. Die zweite Rotorreihe zeigt als einzige Rotorreihe eine Minderumlenkung während des Ausblasungsbetriebs, welche aber so gering ausfällt, dass ein Strömungsabriss und damit eine signifikante Änderung des Betriebsverhaltens (z. B. Stall) nicht verursacht wird. Insgesamt ist aus dem Projekt eine umfangreiche Datenbasis mit experimentellen Ergebnissen geschaffen worden, die in Zukunft weitere Forschungen z. B. mittels rechnergestützten Optimierungen erlauben.
Publications
- (2012): Numerical Investigations of the Efficiency of Circulation Control in a Compressor Stator, Journal of Turbomachinery, Vol. 134, Issue 2, 021012 (11 pages), March 2012
Vorreiter, A.; Fischer, S.; Saathoff, H.; Radespiel, R.; Seume, J.R.
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4003286) - (2015): Effects of Circulation Control on a Multi-Stage Axial Compressor, Proceedings of the 12th International Symposium on Experimental Computational Aerothermodynamics of Internal Flows, ISAIF12-094, Lerici, Italy, 13-16 July 2015
Vorreiter, A; Seume, J.R.
- (2017): Active Flow Control by Aspiration and Injection in Multi-Stage Axial Compressors, Technical Keynote at the Global Power & Propulsion Inaugural Forum, Zurich, Switzerland, 16-18 January 2017
Siemann, J.; Schwerdt, L.; Willeke, T.; Seume, J.R.
- (2018): Implementation and Experimental Verification of Active Flow Control by Jet Injection over a Coanda Surface in a Multi-Stage High-Speed Axial Compressor, 5th International Conference on Experimental Fluid Mechanics ICEFM 2018 Munich, Germany, July 2-4, 2018
Schwerdt, L.; Seume, J.R.
