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TU Berlin

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B01: Aktive Strömungskontrolle an Statorgittern bei periodisch-instationären Randbedingungen

TP-Leiter:
Prof. D. Peitsch [1] (mail [2])
Prof. R. Liebich [3] (mail [4])

WM: Jan Mihalyovics, Dipl.-Ing. [5]  (mail)
[6]Tel.  +49 (0)30 314-29481

WM: Tobias Werder, M.Sc. [7]  (mail)
[8]Tel.  +49 (0)30 314-22941

WM: Carola Ebert, M.Sc. [9]  (mail)
[10]Tel.  +49 (0)30 314-21559

Zusammenfassung

Maßgebliches Ziel des Teilprojektes (TP) ist es, mittels aktiver Strömungskontrolle an einer Verdichterstufe die Strömung so zu modifizieren, dass sie den Anforderungen der periodisch instationären Randbedingungen aufgrund der druckerhöhenden Verbrennungskonzepte genügt. Druckerhöhende Verbrennungskonzepte bringen zusätzliche instationäre Druckschwankungen in das Strömungsfeld ein, die in ihrer Folge, insbesondere auf den Statorschaufeln einer Verdichterstufe, Ablösungserscheinungen begünstigen. Bei den in diesem TP untersuchten Verdichterprofilen handelt es sich um charakteristische industrierelevante Geometrien, wie sie beispielsweise in den mittleren Stufen eines zukünftigen Hochdruckverdichters eingesetzt werden können.

Generell wird festgestellt, dass sich im Ringgitter am Schaufel-Wand-Übergang starke dreidimensionale Sekundärströmungen ausbilden. Diese sind aufgrund der höheren Belastung nabenseitig stärker ausgeprägt als auf der Gehäuseseite. Zur Weiterentwicklung der Aktuations- und Regelungskonzepte der ersten Förderperiode wird dieses asymmetrische Strömungsfeld in der Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade [11] mit Hilfe einer konturierten Wand nachgebildet.

Am Niedergeschwindigkeits-Ringgitter [12] wird zur Entlastung des Nabenbereiches eine 3D-optimierte Statorbeschaufelung entwickelt, die einen besseren Angriffspunkt für die aktive Strömungskontrolle bietet. Neben der periodischen Androsselung aufgrund der druckerhöhenden Verbrennungskonzepte wird der Einfluss der Rotor-Stator-Interaktion auf die aktive Strömungskontrolle untersucht. Darüber hinaus wird die im TP B06 [13] entwickelte Hinterkantenausblasung auf das Niedergeschwindigkeits-Ringgitter übertragen und in Kombination mit der Seitenwandausblasung erprobt. Des Weiteren werden experimentelle und numerische Untersuchungen unterschiedlicher Konzepte einer Piezo- adaptiven Schaufel an der modifizierten Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade validiert und verifiziert. Die Erkenntnisse aus der Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade dienen zur Konzepterstellung und Konstruktion einer Messstrecke für das Niedergeschwindigkeits-Ringgitter. Diese Messstrecke soll spätere Untersuchungen mit einer geeigneten piezoadaptiven Schaufel in einer instationären Ringraumströmung ermöglichen.

3. Förderphase 2020 - 2024

Vorarbeiten

Innerhalb der dritten Förderperiode sollen die Ergebnisse der vorangegangenen Förderperioden auf realitätsnahe Bedingungen übertragen werden. In realen Verdichterstufen liegen die Anströmbedingungen eines Statorgitters im transsonischen Machzahlbereich bei Ma > 0,5. Um, die Aktuatorik an die kompressiblen Strömungsbedingungen anzupassen und eine effektive Strömungskontrolle bei hohen Geschwindigkeitsverhältnissen zu erreichen, ist es notwendig, Aktuatorjetgeschwindigkeiten von Majet >1 zu erzeugen.

[14]
Abb. 1: Numerische Strömungssimulation des Innenströmungsfeldes vom SWJ Aktuator (animiert).
Lupe [15]

Die Vorbereitungen auf die dritte Förderperiode beinhalten die Auslegung und die grundlegende Untersuchung zur Funktionsweise selbstschaltender fluidischer Aktuatoren für den Einsatz in kompressiblen Strömungen. Mittels numerischer Strömungssimulation wurde das Innenströmungsfeld eines Sweeping Jet (SWJ) Aktuators simuliert und anhand von experimenteller Messmethoden validiert. Es konnte gezeigt werden, dass das periodische oszillierende Austrittssginal des SWJ - Aktuators eine Machzahl von Mapeak = 1,6 erreicht und eine charakteristische Schaltfrequenz von f ≈ 1200Hz aufweist. Die Funktionsweise des SWJ Aktuators wird anhand der numerischen Simulation in Abbildung 1 visualisiert.

Innerhalb von Windkanalexperimenten wurde das untersuchte Aktuatorkonzept zur aktiven Strömungskontrolle an einer Stufenmessstrecke bei Anströmbedingen von Ma = 0,3 - 0,8 eingesetzt. Anhand von Ölanstrichverfahren und Oberflächendruckmessungen konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die druckinduzierte Strömungsablösung im Mittelschnitt der Stufenmessstrecke mittels aktiver Strömungskontrolle unterdrückt werden konnte und eine positive Beeeinflussung des Strömungsfeld erreicht wurde.

2. Förderphase 2016 - 2020

Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade

Im Rahmen der zweiten Förderperiode erfolgt die Erweiterung der Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade auf eine 2,5D Statorkaskade durch die Implementierung einer einseitig konturierten Seitenwand in die Messstrecke. Das Ziel liegt darin, ein asymmetrisches Strömungssystem in der 2,5D Statorpassage zu erzeugen, welches mit der komplexen Strömungstopologie im Ringgitterraum vergleichbar ist. Mit dieser Grundlage werden, die bereits in der ersten Förderperiode ausgelegten Aktuatorkonzepte, an das asymmetrische Wirbelsystem angepasst.

Abb. 2: Saugseitige Druckmessungen mit (rechts) und ohne (links) aktiver Strömungskontrolle.
Lupe [16]

Durch den Einsatz von AFC an der konturierten Seitenwand, konnte die Ausbildung des dominanten Eckenwirbels reduziert und dessen Ausdehnung über die Schaufelhöhe vermindert werden. Die positive Beeinflussung der Sekundärströmungseffekte bewirkt eine Entblockung der Statorpassage, wodurch der statische Druckaufbau an der Hinterkante der Statorschaufeln im Vergleich zur Grundströmung gesteigert wird, vgl. Abbildung 2. Es konnte somit gezeigt werden, dass das asymmetrische, gestörte Strömungsfeld in der 2,5D Statorpassage mittels AFC erfolgreich stabilisert wird.

In Kooperation mit dem Teilprojekt B06 [17] erfolgt die Ergänzung eines geeigneten Regelungskonzeptes der aktiven Strömungskontrolle in die 2,5D Statorpassage. Dazu wird ein zweiter Aktuator in jede Statorpassage an der geraden Seitenwand implementiert, wodurch zusätzlich eine Steigerung des Druckaufbaus erreicht wird.

3D-Lowspeed-Ringgitter

Innerhalb des Teilprojektes werden Strömungskontrollmethoden sowohl an einem optimierten als auch an einem nicht optimierten Statordesign untersucht, um Ablösegebiete auf diesen zu reduzieren. Als Mittel der Strömungskontrolle wurde hier das bereits in den vorangegangenen Perioden genutzte Eindüsen von gepulster Druckluft gewählt. Zusätzlich zu diesen Arbeiten wurde die bereits in der ersten Förderperiode an der Linearkaskade des TP B06 [18] entwickelte Hinterkantenaktuation für eine Anwendung im Niedergeschwindigkeits-Ringgitter angepasst.

[19]
Abb. 3: Instationäres Druckfeld der Schaufelsaugseite pei periodischer Androsselung (animiert).
Lupe [20]

In vorangegangenen Untersuchungen an der Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade konnte gezeigt werden, dass ein Androsseln der Verdichterstatoren durch ein sequentielles Verblocken einer Statorpassage von 90% Inzidenzschwankungen hervorruft. In der Statorpassage des Niedergeschwindigkeits-Ringgitters bildet sich daraus resultierend eine offene Grenzschichtablösung (Eckenablösung), die an der Saugseite einer Verdichterschaufel sowohl im angedrosselten wie auch im nicht angedrosselten Fall auftritt. Durch flächige Druckmessungen auf der Saugseite der Schaufel konnte die fluktuierende Ausdehnung der Eckenablösung auf Grund der periodischen Androsselung beobachtet und quantifiziert werden. Es konnte auch konstatiert werden, dass durch gepulstes Einblasen vor dem Beginn der Eckenablösung (bei 20% der relativen Saugseitenkoordinate s), eben diese signifikant verkleinert werden konnte.

Der benötigte Drall für das Statorgitter des Niedergeschwindigkeits-Ringgitters wurde in der ersten Förderperiode zunächst durch einen Vorleitapparat erzeugt. Im Rahmen einer ersten Auslegung einer Verdichterrotorstufe in der zweiten Förderperiode wurde ein Axialverdichterrotor zunächst systematisch mithilfe einer analytischen Lösung für das radiale Gleichgewicht unter Berücksichtigung des abzubildenden Abströmwinkelprofils ausgelegt. Anschließend wurde für mehrere Schaufelsektionen eine Parameterstudie durchgeführt, um möglichst effiziente Profile auszuwählen. Unter Zuhilfenahme eines parametrischen Schaufelmodells wurde der Rotor daraufhin mittels einer antwortflächenbasierten Pareto-Optimierung verbessert. Alle untersuchten Designkandidaten trafen das geforderte Abströmwinkelprofil in zufriedenstellender Weise und waren dem Ausgangsdesign bezüglich Betriebsbereich und Verlusten überlegen.

Ein Designkandidat erreichte den maximalen Totaldruckaufbau bei einem Massenstrom von 8,0 kg/s und wies dabei signifikant geringere Verluste als das Ausgangsdesign auf, womit das Ziel der Optimierung erreicht wurde.

Piezoschaufel

In der ersten Förderperiode des SFB 1029 wurde innerhalb des Teilprojektes B02 eine piezoadaptive Verdichterschaufel entwickelt. Diese kann durch das Aufkleben von piezoelektrischen Flächenwandlern auf der Innenseite einer ausgehöhlten CDA Verdichterschaufel, eine Schwingung des vorderen Teils vollführen und somit aktiv auf eine periodische Inzidenzschwankung reagieren.

Zur Simulation der periodischen Druckschwankungen wurde in der Niedergeschwindigkeits-Linearkaskade des Fachgebiets für Aerodynamik ein Androsselungssystem stromab der Statorbeschaufelung positioniert. Dieses muss ein Frequenzband von 3 – 70 Hz, was Strouhal-Zahlen von 0,018 - 0,42 bei einer Anströmgeschwindigkeit von 25 m/s und einer Sehnenlänge von 0,15 m entspricht, abdecken. Die piezoadaptive Verdichterschaufel wurde im 3D-Druck-Verfahren aus Kunststoff gefertigt. Somit hat die in ihrer Eigenfrequenz betriebene Kunststoffschaufel einen ausreichenden Einfluss auf die mit der gleichen Frequenz angedrosselten Strömung. Ein weiterer Vorteil der Kunststoffschaufel ist die größere Auslenkungsamplitude auch jenseits ihrer Eigenfrequenz.

In den ersten Untersuchungen im Strömungskanal unter Verwendung des neuen Androsselungsystems stellte sich heraus, dass hohe Störfrequenzen einen immer kleiner werdenden Einfluss auf die Druckverteilung der Schaufel haben. Bis zu einer Störfrequenz von 10 Hz ist dieser Einfluss noch deutlich zu erkennen. Mit Hilfe einer Regelung lassen sich die Druckstörungen auf der Schaufeloberfläche reduzieren. Hierbei wird nicht die Anregung per Phasenshift gesteuert, sondern es werden die maximalen Amplituden des Drucks gesucht und daraufhin die Phase entsprechend angepasst. Sobald die Schaufel in Phase mit der Störung schwingt, sind die gemessenen Druckschwankungen nur halb so groß wie bei einer Phasenlage von 180 Grad.

In Vorbereitung für eine dritte Förderperiode wurde eine Erweiterung dieses Konzeptes von einer 2D-Anwendung auf einen Niedergeschwindigkeits-Ringgitterprüfstand erarbeitet. Dafür wurde eine Messstrecke konstruiert, in diese die Piezoschaufeln leicht ein und auszubauen sind. Diese Messstrecke ist analog zum Ringgitter konstruiert.

[21]
Abb. 4: Piezoadaptive Verdichterschaufel (animiert).
Lupe [22]

Publikationen

Brück, C., Mihalyovics, J. and Peitsch, D. (2018). Experimental Investigations On Highly Loaded Compressor Airfoils With Different Active Flow Control Parameters Under Unsteady Flow Conditions [23]GPPS North America Conference 2018, At Montreal.

Brück, C., Tiedemann, C. and Peitsch, D. (2016). Experimental Investigations on Highly Loaded Compressor Airfoils With Active Flow Control Under Non-Steady Flow Conditions in a 3D-Annular Low-Speed Cascade [24]ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition.

Mihalyovics, J., Brück, C., Peitsch, D., Vasilopoulos, I. and Meyer, M. (2018). Numerical and Experimental Investigations on Optimized 3D Compressor Airfoils [25] ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, At Oslo, Norway, V02AT39A038.

Phan, T. D., Springer, P. and Liebich, R. (2017). Numerical Investigation of an Elastomer-Piezo-Adaptive Blade for Active Flow Control of a Nonsteady Flow Field Using Fluid–Structure Interaction Simulations [26]. Journal of Turbomachinery, 091004.

Staats, M., Mihalyovics, J. and Peitsch, D. (2019). A Qualitative Comparison of Unsteady Operated Compressor Stator Cascades with Active Flow Control [27]. Active Flow and Combustion Control 2018, 91–104.

Staats, M. and Nitsche, W. (2017). Experimental Investigations on the Efficiency of Active Flow Control in a Compressor Cascade With Periodic Non-Steady Outflow Conditions [28]ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition.

Ebert, C., J. Mihalyovics, M. Staats, J. Weiss und D. Peitsch (2019). Numerical and Experimental Investigationsfor Super Sonic Active Flow Control in the transonic Mach regime [29]. Proceedings of the 68th Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019, Bonn, 2019. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt.

Mihalyovics, J., J. Gambel und D. Peitsch (2019). 3D Profile Design and Optimization of a Rotor for a Low SpeedAxial Compressor Wind Tunnel [30] Proceedings of the 68th Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019, Bonn, 2019. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt.

Tiedemann, C. u. A. Heinrich (2017). Increasing Blade Turning by Active Flow Control and Tandem Configurati-ons: A Comparison [31]. Proceedings of the 23rd International Symposium on Air Breathing Engines (ISA-BE 2017): Economy, Efficiency and Environment. International Society of Air-breathing Engines.

Staats, M. und W. Nitsche: Active Flow Control on a Non-steady Operated Compressor Stator Cascade by Means of Fluidic Devices. In: Dillmann, A., G. Heller, E. Krämer, C. Wagner, S. Bansmer, R. Radespiel und R. Semaan (Hrsg.): New results in numerical and experimental fluid mechanics XI, Bd. 136 d. Reihe Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, S. 337–347.Springer, Cham, 2018, ISBN 978-3-319-64519-3.

V. Motta, L. Malzach, D. Peitsch, G. Quaranta: A Physically Consistent Reduced Order Model for Plasma Aeroelastic Control on Compressor Blades. In: ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Volume 7C: Structures and Dynamics, 2018.

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1. Förderperiode 2012 - 2016

Aktive Strömungskontrolle an einem Statorgitter bei periodisch-instationären Randbedingungen

TP-LeiterIn:
Prof. W. Nitsche
Prof. D. Peitsch (mail [35])
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 [36]

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.

[37]
Abb. 2: Dynamische Passagenströmung (animiert)
Lupe [38]

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 [39]

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.

Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch
E-Mail-Anfrage [40]

Sekretariat

Steffi Stehr
Sekr. F 2
Raum 107
Marchstr. 12
10587 Berlin
Tel: 314 23110
E-Mail-Anfrage [41]

Poster B01:

  • Poster B01 (2.Phase) [42]
  • Poster B01 (Linearkaskade) [43]
  • Poster B01 (3D-Ringgitter) [44]
  • Poster B01 (Piezoschaufel) [45]
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