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TU Berlin

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B01: Aktive Strömungskontrolle an Statorgittern bei periodisch-instationären Randbedingungen

TP-Leiter:
Prof. D. Peitsch ()
Prof. R. Liebich ()

WM: Jan Mihalyovics, Dipl.-Ing.  (Tel.   (030) 314 29481

WM: Tobias Werder, M.Sc.  (Tel.   (030) 314 22941

Zusammenfassung

Im 3D-Ringgitter bilden sich am Schaufel-Wand-Übergang stark dreidimensionale Sekundärströmungen aus, die aufgrund der höheren Belastung nabenseitig stärker ausgeprägt sind als gehäuseseitig. Zur Weiterentwicklung der Aktuations- und Regelungskonzepte der ersten Förderperiode wird dieses asymmetrische Strömungsbild in der 2D-Kaskade mit Hilfe einer konturierten Wand nachgebildet, während für das 3D-Ringgitter zur Entlastung des Nabenbereiches eine 3D-Statorbeschaufelung entwickelt wird, die einen besseren Angriffspunkt für die aktive Strömungskontrolle bietet. Neben der periodischen Androsselung aufgrund der CVC wird der Einfluss der Rotor-Stator-Interaktion auf die aktive Strömungskontrolle untersucht. Zudem wird die im TP B06 entwickelte Hinterkantenausblasung auf das 3D-Ringgitter übertragen und in Kombination mit der Seitenwandausblasung erprobt. Des Weiteren werden experimentelle und numerische Untersuchungen unterschiedlicher Konzepte der adaptiven Schaufel mittels Piezoaktuator an der modifizierten 2D-Statorkaskade validiert und verifiziert. Die Erkenntnisse aus der 2D-Statorkaskade dienen zur Konzepterstellung und Konstruktion einer Messstrecke für das 3D-Ringgittter für eine dortige, spätere Untersuchung der geeigneten piezoadaptiven Schaufel.

1. Förderperiode 2012 - 2016

Aktive Strömungskontrolle an einem Statorgitter bei periodisch-instationären Randbedingungen

TP-LeiterIn:
Prof. W. Nitsche
Prof. D. Peitsch ()
Dr.-Ing. Inken Peltzer

Zusammenfassung

Der Gesamtwirkungsgrad moderner Gasturbinen liegt bei knapp über 40% und wurde in der nahen Vergangenheit nur geringfügig verbessert. Einen vielversprechenden Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz bietet der Einsatz eines alternativen Verbrennungskonzepts. Die gepulste Verbrennung bei konstantem spezifischem Volumen bietet, aufgrund ihrer drucksteigernden Wirkung,  eine Möglichkeit zur Erhöhung der Effizienz der gesamten Maschine.

Dieses Verbrennungsprinzip basiert auf über den Umfang verteilten Rohren, welche während des Verbrennungsprozesses mechanisch am Einlass geschlossen werden, um Rückströmung zu vermeiden. Mit Hilfe dieses Aufbaus wird die Rückströmung des heißen Gases in den Verdichter unterdrückt, jedoch gleichzeitig die Verdichterströmung in den letzten Stufen periodisch beeinflusst. Die größte Beeinflussung betrifft dabei die Statoren unmittelbar vor der Brennkammer, welche in der aerodynamischen Umströmung des Profils negativ beeinflusst werden.

Abb. 1: Kaskadenprüfstand
Lupe

Teilprojekt B01 des SFB 1029 befasst sich mit der Untersuchung einer dynamischen Verdichterströmung, welche unter der Randbedingung der pulsierenden Verbrennung zu erwarten ist. Die Experimente finden an einer 2D Stator-Kaskade und einem 3D Ringgitter statt, wobei die Erkenntnisse aus dem zweidimensionalen Aufbau auf den dreidimensionale Ringraum überführt und bestätigt werden sollen.

In der zweidimensionalen Kaskadenanordnung werden sieben hochbelastete Statorprofile verwendet, welche über eine  gute Zugänglichkeit die detaillierte Untersuchung der Strömungsvorgänge an der mittleren Schaufel ermöglicht.

(GIF, 4,7 MB)
Abb. 2: Dynamische Passagenströmung (animiert)
Lupe

Mit Hilfe des in Abbildung 1 gezeigten Aufbaus kann eine stromab induzierte periodische Verblockung einer Statorpassage realisiert werden, welche sich bis zu einer Strouhalzahl von Sr= 0,04 einstellen lässt. Anhand von statischen Druckmessungen auf der Schaufeloberfläche sowie 2D/3C PIV Messungen in der Passage wird das Strömungsfeld unter der Randbedingung der periodisch instationären Abströmung untersucht. Der Fokus liegt dabei unter anderem auf der Analyse der Sekundärströmungsphänomene, als auch auf der Untersuchung der laminaren bzw. turbulenten Strömungsablösungen auf der Verdichterschaufel. Druckmessungen mit einer 5-Loch-Sonde im Nachlauf der mittleren Schaufel geben Auskunft über den phasenabhängigen Totaldruckverlust bzw. statischen Druckaufbau  der Passage. Das dynamische Strömungsverhalten in der periodisch angedrosselten Statorpassage ist in Abbildung 2 dargestellt.

An der 2D Kaskade sind bereits Seitenwandaktuatoren zur aktive Strömungskontrolle (active flow control, AFC) in allen Passagen installiert. Der positive Effekt der AFC zeigt sich in einer Reduktion des Totaldruckverlustes als auch in der Erhöhung des statischen Druckaufbaus durch eine Statorpassage. Es konnte bereits gezeigt werden, dass sich das stark gestörte Strömungsfeld mit Hilfe der gepulsten Seitenwandausblasung stabilisieren lässt. In Zukunft werden geeignete Schaufelaktuatoren installiert, um mit dem kombinierten Beeinflussungskonzept die Passagenströmung hinreichend zu stabilisieren und alle Ablösephänomene zu unterdrücken, wodurch dann eine signifikante Wirkungsgradsteigerung des Stators erreicht wird. Aufgrund der starken Dynamik des Systems werden in enger Zusammenarbeit innerhalb des SFB 1029 mit dem Teilprojekt B06 geeignete Regelungsverfahren untersucht.

Abb. 3: Ringgitter Prüfstand
Lupe

Neben der Anpassung der bereits in der zweidimensionalen Kaskade realisierten Nachlaufstörung, werden am Ringgitter Versuchsstand zusätzlich die Auswirkungen eines stromauf befindlichen Rotors auf den Stator simuliert. Hierzu wird ein Stabrotor vor den Messschaufeln angetrieben, welcher in einem weiten Bereich der Blattfolgefrequenz, dem flow coefficient als auch der Stabanzahl einstellbar ist. Anhand dessen soll die Interaktion der periodischen Androsselung mit den Nachlaufdellen untersucht und mit aktiver Strömungskontrolle beeinflusst werden. 

Publikationen

Hammer, S., J. Peter, P. Thamsen, R. Meyer, D. T. Phan und R. Liebich: Adaptive Blade Systems for Increased Operating Range of a Turbomachine. In: Proceedings of the ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2015. American Society of Mechanical Engineers, Japan Society of Mechanical Engineers, Korean Society of Mechanical Engineers, 2015.

Staats, M. und W. Nitsche: Active Control of the Corner Separation on a Highly Loaded Compressor Cascade With Periodic Nonsteady Boundary Conditions by Means of Fluidic Actuators. Journal of Turbomachinery, 138(3):031004, doi: 10.1115/1.4031934, 2016.

Staats, M., W. Nitsche und I. Peltzer: Active Flow Control on a Highly Loaded Compressor Cascade with Non-Steady Boundary Conditions. Active Flow and Combustion Control 2014, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Springer International Publishing, King, R., editor, 127:23–37, 2015.

Steinberg, S. J., M. Staats, R. King und W. Nitsche: Iterative Learning Active Flow Control Applied to a Compressor Stator Cascade With Periodic Disturbances. Journal of Turbomachinery, 137:1–8, November 2015.

Steinberg, S. J., M. Staats, W. Nitsche und R. King: Comparison of Iterative Learning and Repetitive Control Applied to a Compressor Stator Cascade. Active Flow and Combustion Control 2014, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Springer International Publishing, King, R., editor, 127, 2015.

Hammer, S., D. T. Phan, J. Peter, T. Werder, R. Meyer, R. Liebich und P.U. Thamsen: Active Flow Control by Adaptive Blade Systems in Periodic Unsteady Flow Conditions. Active Flow and Combustion Control 2014, (http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-40), 2014.

Staats, M., W. Nitsche, S. J. Steinberg und R. King: Closed-Loop Active Flow Control of a non-steady Flow Field in a Highly-Loaded Compressor Cascade. DGLR 2015, Rostock, (urn:nbn:de:101:1-201512043361), 2015.

Zusatzinformationen / Extras

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Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Rudibert King

Wiss. Koordinator

M.Sc. Christina Riehn
+49 30 314 21422
Raum ER 102

Sekretariat
Steffi Stehr
Sekr. ER 2-1
Raum 107
Hardenbergstr. 36a
10623 Berlin
Tel: 314 23110