Einfluss von Gas- und Machzahlvariationen auf die aerodynamischen Dämpfungen von Axialverdichtern

Stuhldreier, Lukas; Jeschke, Peter; Benetschik, Hannes

doi:44409

Einfluss von Gas- und Machzahlvariationen auf die aerodynamischen Dämpfungen von Axialverdichtern = Influence of gas and Mach number variations on the aerodynamic damping of axial compressors

Stuhldreier, Lukas^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lukas Stuhldreier

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Benetschik, Hannes (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05005
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012462/files/1012462.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen (413510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aerodynamic damping (frei) ; aeroelasticity (frei) ; axial compressors (frei) ; influence of Mach number (frei) ; influence of gas (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird der Einfluss unterschiedlicher Gase auf die aerodynamischen Dämpfungen bei aerodynamisch fremderregten Schaufelschwingungen numerisch untersucht. Bei der Verdichtung unterschiedlicher Gase variiert insbesondere die Machzahl, weshalb ebenfalls der Einfluss der Machzahl auf die aerodynamischen Dämpfungen betrachtet wird. Gegenstand der voneinander entkoppelten Einflussuntersuchungen ist eine Rotorreihe eines subsonischen industriellen Axialverdichters, der für die Verdichtung von Luft ausgelegt wurde. Anhand der Ergebnisse wird eine Methode entwickelt, mit der sich die aerodynamische Dämpfung zwischen unterschiedlichen Gasen und Machzahlen transformieren lässt. In den Einflussuntersuchungen werden die erste Biegeschwingung sowie die ersten beiden Torsionsschwingungen betrachtet. Die Berechnung der aerodynamischen Dämpfungen aller Knotendurchmesser erfolgt mithilfe der Methode der Einflusskoeffizienten. Der Einfluss des Gases wird für Argon, Kohlenstoffdioxid, Methan und Propan bei konstanter Machzahl analysiert. Dabei zeigt sich, dass für alle untersuchten Eigenformen und Frequenzen die aerodynamischen Dämpfungen nahezu exakt mit dem dynamischen Druck skalieren. Nur bei den Torsionmoden treten in der Nähe der akustischen Resonanzen geringfügige Skalierungsfehler auf. Der Einfluss der Machzahl auf die aerodynamischen Dämpfungen wird für Machzahlen zwischen 60 % und 110 % der Auslegungsmachzahl im Eintritt M_ein = 0,52 untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Machzahl ungleich größer als der Einfluss des Gases ist. Vor allem bei reduzierten Frequenzen größer eins sind die aerodynamischen Dämpfungen nicht mehr skalierbar. Der Grund dafür ist, dass hierbei die aerodynamische Dämpfung primär von akustischen Wellen induziert wird, deren Wellenlängen wiederum signifikant von der Machzahl abhängig sind. Mit der Variation der Machzahl verändern sich somit auch die Phasen der Einflusskoeffizienten. Zur Übertragung der aerodynamischen Dämpfungen zwischen unterschiedlichen Machzahlen wird daher eine Transformationsmethode entwickelt, die neben einer Skalierung auch eine machzahlabhängige Phasenverschiebung der Einflusskoeffizienten umfasst. Abschließend wird gezeigt, dass mit der Transformationsmethode die aerodynamischen Dämpfungen zumindest bei kleinen Variationen in der Machzahl von +-10 % übertragen werden können. Insgesamt sind die durchgeführten Analysen der Einflüsse auf die aerodynamischen Dämpfungen für die Adaptierung industrieller Axialverdichter für unterschiedliche Gase von großer Bedeutung. Während der Einfluss des Gases bei konstanter Machzahl skalierbar ist, ist der Einfluss der Machzahl signifikant und nicht skalierbar. Für eine genaue Übertragung der aerodynamischen Dämpfung zwischen unterschiedlichen Machzahlen ist daher eine korrekte Modellierung der Phasen der Einflusskoeffizienten notwendig. Die vorgestellte Transformationsmethode ermöglicht eine Abschätzung der veränderten aerodynamischen Dämpfungen und trägt zu einer schnellen Bewertung der strukturmechanischen Integrität bei. Somit eignet sich die Methode für den Einsatz in semi-analytischen Auslegungswerkzeugen modularer Verdichtersysteme.

In this work, the influence of different gases on the aerodynamic damping of compressor blades in forced response vibration is numerically investigated. In particular, the Mach number varies when different gases are compressed. Thus, the influence of the Mach number on the aerodynamic damping is also considered. The uncoupled investigations are conducted on a rotor row of a subsonic industrial axial compressor originally designed to compress air. Based on the results, a method is developed to transform the aerodynamic damping between gases and Mach numbers. The first bending mode and the first two torsional modes are considered in the investigations. The aerodynamic damping for all nodal diameters is determined using the influence coefficient method. The influence of the gas itself is analyzed using argon, carbon dioxide, methane and propane at a constant Mach number. It is shown that the aerodynamic damping scales exactly with the dynamic pressure for all investigated mode shapes and frequencies. Minor scaling errors occur only for the torsional modes in the vicinity of the acoustic resonances. The influence of the Mach number on the aerodynamic damping is investigated for Mach numbers between 60 % and 110 % of the design Mach number in the inlet M ein = 0,52. The results show that the influence of the Mach number is much larger than the influence of the gas. Especially at reduced frequencies exceeding unity the aerodynamic damping is no longer scalable. This is because the aerodynamic damping is induced by acoustic waves, which wavelengths depend significantly on the Mach number. As the Mach number varies, the phases of the influence coefficients also change. Therefore, a transformation method is developed to transfer the aerodynamic damping between different Mach numbers. In addition to scaling, this method also includes a Mach number dependent phase shift of the influence coefficients. Finally, it is shown that the transformation method is able to transfer the aerodynamic damping at least for small variations in Mach number of +-10 %. Overall, the conducted evaluations of the influences on aerodynamic damping are of great importance for the design of industrial axial compressors for different gases. Whereas the influence of the gas at constant Mach number is directly scalable, the influence of the Mach number is significant and not scalable. Therefore, a correct modelling of the phase of the influence coefficients is necessary to accurately transfer the aerodynamic damping between different Mach numbers. The proposed transformation method enables a quick estimation of the changes in aerodynamic damping and contributes to a rapid evaluation of the structural integrity. Hence, the method is suitable to be applied in semi-analytical design tools for modular compressor systems.

OpenAccess:
PDF
(additional files)