Rotierende Instabilität in Axialverdichtern

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Identifikation und experimentellen Analyse von einem physikalischen Effekt der in Verbindung mit instationären Vorgängen in Turbomaschinen und vorwiegend an Axialverdichtern auftritt. Dieser Effekt wird als Rotierende Instabilität (RI) bezeichnet und im Rahmen dieser Arbeit sowohl an einer einzelnen Statorbeschaufelung, als auch an einer axialen Rotor-Stator-Stufe untersucht. Die charakteristischen RI-Merkmale und deren Abhängigkeiten von den Strömungsparametern an den verschiedenen Konfigurationen werden überwiegend mit wandbündigen Drucksensoren untersucht. Als übergeordnetes Ziel soll der zugrunde liegende RI-Wirkmechanismus entschlüsselt werden. Dafür wurde ein Erklärungsansatz mit einer neuen Hypothese formuliert, der vor dem Hintergrund der experimentellen Ergebnisse evaluiert wird. Der neuen Modellvorstellung liegt zugrunde, dass die charakteristischen spektralen und modalen Eigenschaften der RI durch umlaufende Scherschichtinstabilitäten entstehen. Als Schwerpunkt dieser Arbeit werden experimentelle Studien zur Identifikation der charakteristischen RI-Eigenschaften an verschiedenen Versuchsträgern durchgeführt. Diese basieren vorwiegend auf umfangsverteilten instationären Druckmessungen an unterschiedlichen Positionen in den Prüfständen. Die Untersuchungen an der axialen Rotor-Stator-Stufe belegen eindeutig das Auftreten des Spaltgeräusches als akustische Auswirkung der RI. Typische spektrale RI-Signaturen existieren am Ringgitter im Bereich der Nabe und an der Rotor-Stator-Stufe am Außengehäuse im Bereich der Schaufelvorderkanten. Umfangsdruckverläufe zeigen ausgeprägte modale Strukturen, die sich in Umfangsrichtung ausbreiten. Für die einzelnen nebeneinander liegenden Peaks der RI-Signatur werden jeweils unterschiedliche Modenordnungen in Übereinstimmung mit der aus der Literatur bekannten Charakteristik identifiziert. Die aerodynamischen und geometrischen Einflussgrößen wurden an beiden Versuchsträgern detailliert mit verschiedenen Konfigurationen untersucht. Überraschenderweise lässt sich RI dabei auch an einem Stator ohne Spalt und an einem Rotor mit Deckband nachweisen. Diese Erkenntnis stellt bisherige Erklärungsansätze mit instationären Spaltwirbelsystemen als auslösender RI-Mechanismus in Frage. Detaillierte Untersuchungen zu den zeitlichen Eigenschaften der verschiedenen RI-Moden zeigen folgende neue Erkenntnisse: Ein ausgeprägtes stochastisches Auftreten der einzelnen Moden wird in den Datensätzen von beiden Versuchsträgern detektiert. Es lässt sich nachweisen, dass für die Existenz der RI kein Zusammenhang der unterschiedlichen Modenordnungen besteht, sondern diese unabhängig voneinander auftreten. Mit dieser Erkenntnis aus den zeitaufgelösten Modenamplituden wurde eine neue RI-getriggerte Auswertemethodik entwickelt und für Datensätze verschiedener Experimente angewendet. Ergebnisse von z.B. synchron zu den instationären Druckverläufen aufgezeichnete Geschwindigkeitsfelder visualisieren die RI-induzierten dreidimensionalen instationären Wirbelsysteme. Sowohl am Stator als auch am Rotor existieren für die einzelnen Moden charakteristische Zeitverläufe mit an- und wieder abschwellenden Amplituden, die als 'Modale Events' bezeichnet werden. Im Gegensatz zu bestehenden Erklärungen belegen die Umfangs-Druckverläufe eindeutig, dass RI kein lokal beschränktes Phänomen ist, sondern die induzierten Druckstörungen über den gesamten Umfang verteilt und damit in allen Schaufelpassagen zeitgleich existieren. Die entwickelte Hypothese basiert auf der Modellvorstellung von Scherschichtinstabilitäten, bei der die charakteristischen spektralen und modalen Eigenschaften in den wandnahen Bereichen mit Rückströmung bzw. in den Grenzschichten erzeugt werden. Im Abgleich zu bekannten RI-Eigenschaften ergeben sich keine Widersprüche, vielmehr bekräftigen die aktuellen Ergebnisse den im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Erklärungsansatz und die zugrunde liegende Scherschichthypothese.

Author dc:creator

• Pardowitz, Benjamin

Advisor dc:contributor.advisor

• Enghardt, Lars

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6755

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/7535