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Einfluss aeroakustischer Rotor-Stator-Wechselwirkungen auf fremderregte Schaufelschwingungen in einem 2,5-stufigen Axialverdichter = Influence of aeroacoustic rotor-stator interactions on the excitation of blade vibrations of a 2.5-stage axial compressor
2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-02-07
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aeroakustik (frei) ; Aeroelastik (frei) ; forced response (frei) ; Verdichter (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In dieser Arbeit wird der Einfluss aeroakustischer Rotor-Stator-Wechselwirkungen auf die Anregung fremderregter Schaufelschwingungen einer Verdichterblisk untersucht. Es wird sich auf in Resonanz angeregte Schwingungen bei der Schaufelwechselfrequenz des stromab liegenden Stators konzentriert. Versuchsgegenstand ist ein hoch subsonischer 2,5-stufiger Triebwerkshochdruckverdichter. Die Analysen der Schaufelschwingspannungen und der durch Rotor-Stator-Wechselwirkungen angeregten akustischen Moden werden anhand experimenteller Daten und numerischer Simulationsergebnisse durchgeführt. Die numerische Bestimmung der Schaufelschwingspannungen des ersten Rotors erfolgt anhand entkoppelter strukturdynamischer und aerodynamischer Simulationen in Kombination mit der Energiemethode. Für die numerische Strömungsberechnung werden sowohl das lineare (LinearTRACE) als auch das nichtlineare (TRACE Harmonic Balance) Frequenzbereichsverfahren des Strömungslösers TRACE verwendet. Es hat sich gezeigt, dass die mit dem Tip Timing-System gemessenen Schaufelschwingspannungen höherer Modenordnungen durch LinearTRACE um bis zu 99% unterschätzt werden. Innerhalb dieser Simulationen wurden stromab des Rotors Gust-Randbedingungen aufgeprägt. Die Verwendung einer aus der stationären CFD-Lösung extrahierten Gust-Randbedingung hat zur Folge, dass der Einfluss instationärer Rotor-Stator-Wechselwirkungen systematisch vernachlässigt wird. Im Gegensatz dazu können akustische Moden aus instationären Rotor-Stator-Wechselwirkungen innerhalb der Methode TRACE Harmonic Balance berücksichtigt werden. Zur Validierung der Vorhersagegüte werden die Ergebnisse experimenteller und numerischer Azimutalmodenanalysen im Auslegungs- und Teillastbetriebspunkt verglichen. Die durchgeführten Azimutalmodenanalysen basieren auf den an diskreten Umfangspositionen abgetasteten instationären Gehäusedrücken in einer Messebene im Axialspalt der ersten Verdichterstufe. Hierzu wurde im Vorfeld ein Messraster ausgelegt. Die zugrunde gelegten Gütekriterien sind die Anzahl detektierbarer Moden, die Genauigkeit der Modenanalyse sowie der Messaufwand. Gleichzeitig wurde der Einfluss von Messunsicherheiten auf die Ergebnisse der experimentellen Azimutalmodenzerlegungen berücksichtigt. Die Modenzerlegungen wurden auf Basis eines aus der Compressed Sensing Theorie stammenden Orthogonal Matching Pursuit Ansatzes durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die dominanten Azimutalmodenordnungen durch TRACE Harmonic Balance in Übereinstimmung mit dem Experiment vorhergesagt werden. Obwohl modenordnungsabhängige Abweichungen bei den berechneten Druckamplituden vorliegen, führt die Berücksichtigung der durch instationäre Rotor-Stator-Wechselwirkungen angeregten Azimutalmodenordnungen zu einer signifikanten Verbesserung der Güte der Schwingspannungsvorhersage. Die Berechnungen weichen im Mittel um 21% von den experimentellen Ergebnissen ab. Damit wird in dieser Arbeit nachgewiesen, dass aeroakustische Rotor-Stator-Wechselwirkungen ein wichtiger und für die numerischen Schwingspannungsvorhersagen zu berücksichtigender Einflussfaktor sind.The objective of this thesis is to evaluate the impact of aeroacoustic rotor-stator interactions on forced blade vibrations. The focus is on blade vibrational stresses which are excited at the vane passing frequency of the downstream stator. To this end, results from unsteady pressure and tip timing measurements in the first stage of a 2.5-stage axial compressor test rig are analysed and compared to numerical predictions. In this work the linear (LinearTRACE) and nonlinear (TRACE Harmonic Balance) frequency domain methods of the flow solver TRACE is used. Blade vibrational stresses are calculated by applying the energy method to the results of decoupled structure dynamics and aerodynamic simulations. In the single-row analysis of LinearTRACE a gust boundary condition is employed. This boundary condition results from the steady state simulation and as a result unsteady rotor-stator interactions are excluded by default. The findings show that leaving out these interactions in the numerical setup can lead to 99% lower vibrational stress predictions with respect to the absolute value measured. In contrast to LinearTRACE, unsteady rotor-stator interactions can be incorporated in the setup of TRACE Harmonic Balance easily. In order to validate the numerical prediction of aeroacoustic rotor-stator interactions, Azimuthal Mode Analyses (AMA) were applied on the unsteady pressure distribution at the casing in the inter-row section of the first compressor stage. The experimental effort for the AMA was minimized by using a Compressed Sensing-based algorithm (Orthogonal Matching Pursuit) and the employed measuring grid originated from a grid optimization study. In this study the number of detectable modes and the uncertainty of mode amplitudes were evaluated while considering the grid size and the uncertainty of the unsteady pressure mearsurements. It is shown that the predicted (TRACE Harmonic Balance) azimuthal modes are in accordance with the experiment, whereas amplitudes deviate from the measurements in part. Nevertheless, considering these aeroacoustic rotor-stator interactions in the numerical setup leads to a significant enhancement of the forced response prediction. In this case, the mean deviation to the experiment is ±21%. It is hereby proven that unsteady rotor-stator interactions contribute significantly to resonant blade vibrational stresses and have to be considered for accurate numerical predictions.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT020433478
Interne Identnummern
RWTH-2020-03936
Datensatz-ID: 787140
Beteiligte Länder
Germany
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