Instationäre Strömung und Betriebsverhalten eines mehrstufigen Triebwerk-Hochdruckverdichters beim Pumpen

Waniczek, Phillip; Jeschke, Peter; Steffens, Klaus

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-001774

Instationäre Strömung und Betriebsverhalten eines mehrstufigen Triebwerk-Hochdruckverdichters beim Pumpen = Unsteady flow and performance of a multistage aero engine high pressure compressor during surge

Waniczek, Phillip

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabePhillip Waniczek

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2015

UmfangVII, 165 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4159-0

ReiheBerichte aus der Strömungstechnik

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Druckausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Peter (Thesis advisor) ; Steffens, Klaus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-06-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-001774
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/565874/files/565874.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/565874/files/565874.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen (413510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Pumpen (frei) ; Verdichter (frei) ; instationär (frei) ; surge (frei) ; Stall (frei) ; Sonde (frei) ; Instabilität (frei) ; Compressor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt zwischen der Firma MTU Aero Engines und dem Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH Aachen wurde die instationäre Strömung während des Pumpens experimentell untersucht. Für diesen Zweck entwickelte und fertigte das Institut eine neuartige Strömungssonde, die eine transiente Messung des zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektors unabhängig vonder Anströmrichtung der Sonde ermöglicht. Zur Temperaturmessung wurde erstmalig ein schnelles Thermopaar im Sondenkopf integriert. Mit dieser Sonde wurde der hoch dynamische Prozess des Pumpens an einem Axialverdichter untersucht. Die Auslegung des ausgewählten Verdichters entspricht der eines modernen Triebwerk-Hochdruckverdichters. Zwei der Sonden wurden zeitgleich stromauf und stromab des Frontrotors dieses 8-stufigen Axialverdichters positioniert. Mit dem beschriebenen Versuchsaufbau wurden bei unterschiedlichen Drehzahlen Pumpversuche durchgeführt. Ergänzend zu den Sondenmessungen konnten instationäre Wanddrücke aus allen Verdichterstufen und Schaufelschwingungsmessungen in die Analyse einbezogen werden. Die Messungen geben Aufschluss über die Strömungszustände in allen Phasen des Pumpzyklus. Dies schließt auch die kurzen Phasen des Zyklus ein Strömungsabriss und Wiederanlegen). In der Phase des Strömungsabrisses konnte die Verzögerung der Strömung auf eine Axialgeschwindigkeit (Massenstrom) von Null gezeigt werden (Shut-Off-Punkt). Im Anschluss setzt die Rückströmung ein, die bei Betrachtung der Strömungswinkel und Machzahlen einen quasi-stationären Strömungszustand zeigt. In dieser Phase trifft die Strömung nahezu senkrecht auf die Hinterkante der Rotorschaufel, wodurch sehr geringe Axialgeschwindigkeiten auftreten. Die Temperaturmessung zeigt, dass der Rotor dem Fluid bei Rückströmung weiterhin Arbeit zuführt, die aufgrund des geringen Wirkungsgrads zu einer Temperaturerhöhung des Fluids führt. Das Wiederanlegen der Strömung erfolgt durch eine abrupte statische Druckdifferenz, die zwischen Rotorvorder- und Hinterkante entsteht. Hierdurch wird die Strömung in Axialrichtung beschleunigt, wodurch sie wieder am Profil anlegt. Die Variation der Drehzahl zeigt den klassischen Übergang vom „classic surge“ zum „deep surge“, wenn die Drehzahl gesteigert wird.

In a joint research and development project between MTU Aero Engines company and the Institute of Jet Propulsion and Turbomachinery of Aachen University the unsteady flow during surge was analysed based on experimental results. For this purpose the institute developed and manufactured a new design of probe that allows a transientmeasurement of the 2-dimensional velocity vector independent of the angle of attack to the probe. For temperature measurements a fast thermocouple was integrated in the probe head for the first time. With this probe type the high dynamic process of surge was investigated in an axial compressor. The chosen compressor represents the design of modern jet engine high pressure compressors. The new probes were positioned in front and downstream of the first stage rotor of this 8-stage axial compressor. With this experimental set-up surge experiments were conducted for various speeds. In addition to the probe measurements unsteady wall pressure signals of all stages as well as blade vibration data could be included in the analysis.The experimental results provide a detailed understanding of the flow pattern in all phases of the surge cycle. This also includes the short periods of the surge cycle (flow separation and flow acceleration). In the phase of flow separation a deceleration of the flow down to axial velocities (mass flow) of zero could be shown (shut-off-point). Afterwards reverse flow starts which shows quasi-steady state conditions in terms of flow angle and Mach numbers. In this reverse flow phase the fluid enters the rotor almost perpendicular to the trailing edge. Temperature measurements show that the rotor still adds energy to the fluid. Since the compressor efficiency is very low during this phase the main portion of the energy is transferred into heat. The acceleration of the flow occurs on the basis of an abrupt static pressure difference between the rotor leading and trailing edge. The pressure difference leads to an acceleration of the flow in the axial direction and hence the flow separation vanishes. The variation of speed confirms the transition from classic surge to deep surge when speed is increased.

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