Aktive Beeinflussung und Simulation der Strömung bei Turbomaschinen (T02)

• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2007 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5482364

Ziel des Teilprojektes T3 ist die Entwicklung und der Aufbau einer modellgestützten Regelung zur effizienten Reduzierung der Strömungsablösung an hoch belasteten Statoren einer Turbo-arbeitsmaschine und an Rotoren. Erreicht werden soll damit eine Erhöhung der mit der Maschine erzielbaren Drucksteigerung unabhängig von den Betriebsbedingungen und auch bei Vorhanden-sein von Störungen. Aufbauend auf dem Test der entwickelten Komponenten an einer ebenen Statorkaskade und an einem im SFB 557 vorhandenen Hochdruck-Axialventilator sollen im Rahmen einer Konzeptstudie Spezifikationen für zwei aktuelle, hoch belastete, industrienahe Verdichter von Rolls-Royce erarbeitet werden. Dafür werden numerische Simulationsstudien mit einer Niedergeschwindigkeitskonfiguration (Leitrad, Rotor, Stator) und einer Mehrstufenhochge-schwindigkeitskonfiguration durchgeführt.Aus Messungen des statischen Wanddruckes sowohl auf den Saugseiten der Schaufelprofile als auch an der Gehäusewand sind zunächst geeignete Ersatzregelgrößen zu bestimmen, mit denen eine quantitative Charakterisierung abgelöster Strömungen erfolgt. Neben einer direkten Aus-wertung der von T1 erhaltenen Messsignale, z.B. über den mit der Ablösung korrelierenden saugseitigen Druckgradienten, sollen auf der Basis der von T2 zur Verfügung gestellten simu-lierten Daten modellgestützte Messverfahren entworfen werden, die eine schnelle Ablösungserkennung ermöglichen. Hierfür dienen u.a. auch die in T1 mit der Time resolved PIV gewonnenen Informationen. Sowohl bezüglich der Messung als auch bezüglich der Regelung ergeben sich besondere Anforderungen durch den stark dreidimensionalen Strömungszustand mit gleichzeiti-ger Ecken- und profilseitiger Ablösung. Nach einer zunächst spannweitig homogenen Aktuation ist daher im zweiten Schritt das stark verkoppelte, örtlich verteilte Regelungsproblem zu lösen. Wesentliches Ziel ist dabei ein möglichst geringer Gesamtmassenstrom der Aktuation, um die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern. Zur Behandlung des vor allem bei unterschiedlichen Betriebspunkten stark nichtlinearen Verhaltens sollen die bereits in anderen SFB-Projekten erfolgreich eingesetzten robusten bzw. adaptiven Regelungsverfahren verwendet werden. Zur Regelung der Spaltströmung an einem Rotor kommen vor allem adaptive Konzepte zum Einsatz. Hinsichtlich der zu testenden Regelungskonzepte ist aus praktischer Sicht insbesondere die Integrität zu beachten, d.h. auch bei Ausfall von Sensoren/Aktuatoren muss weiterhin ein asymp-totisch stabiler Regelkreis gewährleistet werden.Der experimentell geprägte Anteil der Methodenentwicklung erfolgt zum einen an der messtech-nisch sehr gut zugänglichen ebenen Statorkaskade des T1 in Bezug auf eine Beeinflussung direkt am Stator bzw. an der Gehäusewand. Zum anderen werden die Möglichkeiten einer Beeinflus-sung des Rotors an einem im SFB 557 betriebenen Hochdruck-Axialventilatorprüfstand des DLR (TP B5 des SFB 557) getestet. Die Übertragbarkeit beider Regelungskonzepte auf praxisnahe Verdichter soll in Zusammenarbeit mit T2 mittels numerischer Simulationsstudien getestet werden. Dafür werden der Low speed research compressor an der Technischen Universität Braunschweig und der vierstufige transonische Verdichter im DLR in Köln zugrunde gelegt, welche von RRD bereits in früheren Untersuchungen verwendet wurden. Als Ergebnis dieser konkreten Konzeptstudien zur Turbomaschinenanwendungen sollen sowohl Spezifika-tionen für die Übertragung dieser Technologie auf reale Maschinen als auch eine Potentialab-schätzung hinsichtlich des Nutzens unter Berücksichtigung des Aufwandes erstellt werden.

• DFG Programme: Collaborative Research Centres (Transfer Project)
• Subproject of: SFB 557: Control of Complex Turbulent Shear Flows
• Applicant Institution: Technische Universität Berlin
• Business and Industry: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
• Project Heads: Professor Dr.-Ing. Frank Thiele; Dr.-Ing. Erik Wassen