Untersuchung von instationären Effekten beim Clocking der Leitreihen am Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter (NGV) Dresden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter Dresden wurde durch Parameterstudien der Einfluss von Clocking der Leitreihen auf den Gesamtwirkungsgrad, die stationären sowie instationären Schaufelkräfte, die Grenzschichtentwicklung auf den Verdichterschaufeln und die stationären und instationären Strömungsfelder in den Axialspalten im Mittelschnitt untersucht. Die vorliegenden Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen am NGV Dresden haben gezeigt, dass die Wirkungsgradvariationen aller untersuchten Clocking-Konfigurationen geringer sind als die Messunsicherheit für die Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades des Verdichters, die 0,2% beträgt. In der numerischen Simulation konnte das bestätigt werden. Die dort erzielten Wirkungsgradvariationen sind eine Größenordnung geringer als die Variation der auskonvergierten Rechenschritte von 0,1%. Im Fall des Experiments wird dieses Ergebnis bestätigt durch die Grenzschichtuntersuchungen auf den Lauf- und Leitschaufeln. Es wurde festgestellt, dass die Laufschaufeln bei Auslegungsdrehzahl über den praktisch relevanten Betriebsbereich vollturbulent umströmt werden. Auf den Leitschaufeln wurde der Grenzschichtverlauf untersucht und bei keiner Konfiguration eine wesentliche Verschiebung des Transitionsbereiches durch Clocking festgestellt. Die Hitzdrahtmessungen stützen diese Ergebnisse. Bei der Verschiebung einzelner Leitgitter wurde in der Zuströmung zum nächsten stroma bliegenden Stator die Auswirkung des Clockings des stromauf liegenden Stators vermessen. Festgestellt wurde eine leichte Änderung des Turbulenzgrades, die allerdings so gering war, dass kein signifikanter Einfluss auf das Grenzschichtverhalten erwartet werden kann. Auch die Änderungen der stationären bzw. zeitgemittelten Zuströmung zu den Statoren sind gering, wodurch auch die Variationen der stationären Druckverteilung der Statoren schwach sind. Man kann sie deshalb als unabhängig von jeglicher untersuchter Clocking-Konfiguration betrachten. Die geringen stationären Änderungen, die an der Grenze der Messgenauigkeit liegen, sind ausschließlich von der Relativposition der betrachteten Leitschaufelreihe zur unmittelbar stromauf bzw. stromab liegenden Leitschaufelreihe messbar. Diese Ergebnisse wurden sowohl für die Leit- als auch für die Laufschaufeln durch die durchgeführten zeitgenauen numerischen Simulationen bestätigt. Diese Ergebnisse sind für die geringen Machzahlen des Niedergeschwindigkeitsverdichters charakteristisch und werden, vor allem bezüglich der Wirkungsgradvariation, durch die Ergebnisse von Barankiewicz et al. für einen Niedergeschwindigkeitsverdichter und Behr et al. für eine Niedergeschwindigkeitsturbine bestätigt. Völlig anders hingegen verhalten sich die instationären Strömungsfelder, die instationären Schaufeldruckverteilungen und damit die dynamischen Beanspruchungen der Leit- und Laufschaufeln. Die Untersuchung und Erklärung dieser Effekte waren die eigentlichen Ziele des Forschungsvorhabens. Die Relativposition zweier unmittelbar aufeinander folgender Leitreihen beeinflusst die instationäre Zu- und Abströmung der eingeschlossenen Laufreihe, sodass beide Störungen sich bei entsprechender Phasenlage dämpfen bzw. anfachen. Die dynamische Anregung der Laufschaufeln einer Stufe resultiert maßgeblich aus der Umfangsposition der sie direkt umgebenden Leitschaufelreihen relativ zueinander. Alle Leitgitter, sowohl die weiter stromauf als auch die weiter stromab Liegenden, beeinflussen die Amplitude der instationären Druckverteilung und der daraus resultierenden Kräfte an den Laufschaufeln. Allerdings ist die Änderung der Kraftamplitude wesentlich geringer als durch die Wirkung der die Laufschaufel direkt umgebenden Leitschaufeln. Deshalb ist es möglich, je eine Konfiguration aller Leitgitter zu finden, bei der die dynamische Anregung der Laufschaufeln aller Stufen gering bzw. hoch ist. Die Amplitude der resultierenden Kraft betrug bei der Konfiguration mit der stärksten Anregung das 2,5-fache der Amplitude bei geringster Anregung des Rotors der ersten Stufe bzw. das 4-fache der Amplitude bei geringster Anregung des Rotors der dritten Stufe. Es konnte gezeigt werden, dass die so eingestellten Konfigurationen und damit auch die dynamischen Belastungen der Schaufeln nicht nur für den optimierten Betriebspunkt gültig sind. Das hat seine Ursache vor allem darin, dass sich über die Axialspalte weder die Umfangsposition des Nachlaufes der stromauf liegenden Leitschaufel noch die Umfangsverteilung des Potentialfeldes der stromab liegenden Leitschaufel erheblich ändert. Die dynamische Anregung einer betrachteten Leitschaufel wird durch das Clocking der anderen Leitschaufelreihen auch deutlich verändert. Die erzielbare Variation der dynamischen Belastung der Leitschaufeln ist aber geringer als bei den Laufschaufeln. Der Mechanismus beruht darauf, dass durch die Positionierung der stromauf liegenden Leitschaufeln relativ zur betrachteten Leitreihe in Umfangsrichtung, die instationäre Belastung der eingeschlossenen Laufschaufeln geändert wird. Das wirkt sich auch auf die instationäre Zuströmung der betrachteten Leitschaufeln aus. Die Änderung der Clocking-Konfiguration zwischen betrachteter Leitschaufel und stromab liegender Leitreihe wirkt sich analog über den stromab liegenden Rotor auf die instationäre Abströmung der betrachteten Leitreihe aus. Es wurden auch die Auswirkungen des Stator-Clockings auf das Betriebsverhalten des Verdichters untersucht. Dabei konnte die Pumpgrenze des mit Radialspalt an allen Schaufeln aufgebauten Verdichters um 1% des Auslegungsmassestromes variiert werden. Die Ursache liegt hier vermutlich in einer Interaktion der Radialspaltwirbel der Leitschaufeln. Die dynamische Anregung der Laufschaufeln ist bei günstigem Abrißverhalten des Verdichters gering, während die Leitschaufeln einer starken dynamischen Belastung ausgesetzt sind. Bei einem Aufbau mit Deckband an den Leitschaufeln und Radialspalt an den Laufschaufeln konnte die Pumpgrenze um 7% des Auslegungsmassestromes verschoben werden. Wie beim Aufbau mit Radialspalten ist die dynamische Anregung der Laufschaufeln bei günstigem Abrissverhalten des Verdichters mittel bis gering, während die Leitschaufeln einer starken dynamischen Belastung ausgesetzt sind. Sämtliche im Projekt geplanten und durchgeführten Untersuchungen bezogen sich fast ausschließlich auf den Mittelschnitt der Beschaufelung. Die Auswertung dieser Daten führen zu der Erkenntnis, dass sich die für die Betriebsbereichserweiterung verantwortlichen Effekte auf den Nabenbereich der Beschaufelung beschränken. Dafür spricht auch, dass der Betriebsbereich des Verdichters beim Aufbau mit Deckband an den Statorschaufeln stärker erweitert werden konnte als bei dem Aufbau mit Radialspalt an den Leitschaufeln. Dieser ist im Nabenbereich durch den kräftigen Radialspaltwirbel deutlich gestört, wodurch die beim Deckbandaufbau vorhandenen Effekte eine untergeordnete Rolle spielen dürften. Weitere Untersuchungen wurden durch Schwierigkeiten bei der Bearbeitung des beantragten Arbeitsprogramms unmöglich. Es ist geplant sie in einem gesonderten Projekt zu untersuchen. Im Rahmen des Projektes wurde eine umfangreiche Parameterstudie zum Clocking der Leitreihen durchgeführt. Der Verdichter wurde für instationäre numerische Simulationen modelliert. Die Simulationen wurden sowohl für 1,5 Stufen im Mittelschnitt für jeweils 10 Clocking-Konfigurationen und je zwei Betriebspunkte, als auch voll dreidimensional vernetzt für drei essentielle Clocking-Konfigurationen aller Leitgitter im Auslegungspunkt durchgeführt. Alle diese Ergebnisse sind zu einem großen Teil veröffentlicht und als Datenbasis vorhanden. Sie können als Testfall für die Untersuchung der Eignung von numerischen Verfahren genutzt werden. Clocking der Leitgitter kann in mehrstufigen Turbomaschinen dazu eingesetzt werden, die dynamischen Belastungen der Schaufeln erheblich zu beeinflussen. Ideale Voraussetzungen sind bei gleichen Schaufelzahlen der Leitgitter gegeben, die Funktionsmechanismen sind aber auch auf andere Schaufelzahlen übertragbar und führen dann zu einer Umfangsvariation der dynamischen Belastung der Schaufeln. Der Einfluss von Clocking auf das Betriebsverhalten ist von besonderem Interesse. Ausgehend von den vorhandenen Daten bietet vor allem die erhebliche Betriebsbereichserweiterung bei der Deckbandbeschaufelung die Möglichkeit, die Effekte die sie verursachen detailliert zu untersuchen und zu verstehen. Die numerische Simulation ist dafür noch ungeeignet weil für eine genaue Modellierung der gesamte Umfang vernetzt und zeitgenau simuliert werden müsste. Der Bedarf an Rechenkapazität und Rechenzeit ist dafür deutlich zu hoch.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Jia, H., Vogeler, K., Müller, L., Mailach, R.: "Numerical Investigation of Rotor-Stator Interactions in a 1.5-Stage Low-Speed Axial Compressor", Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF'06), Budapest, Hungary, September 6-9, 2006.
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Jia, H., Vogeler, K.: "Effect of Clocking on the Unsteady Rotor Blade Loading in a 1.5- Stage Low-Speed Axial Compressor", ASME Paper No. GT2007-27237, ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada, May 14-17, 2007.
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Jia, H., Xi, G., Müller, L., Mailach, R., Vogeler, K.: "Effect of Clocking on Unsteady Blade Loading in a Four-Stage Low-Speed Axial Compressor Part 1: Numerical Investigation ", (ISABE2007-1181), ISABE 2007, Beijing, China, September 2007.
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Müller, L., Mailach, R., Vogeler, K.: "Boundary Layer Development on Rotor Blades of a 4-stage Low-Speed Axial Compressor", ISABE 2005, 17th International Symposium on Airbreathing Engines, Sept.4-9, 2005, Munich, Germany.
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Müller, L., Mailach, R., Vogeler, K.: "Grenzschichtentwicklung auf den Laufschaufeln des vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichters Dresden", S. 21-34, 21. Strömungstechnische Tagung, ISBN 3-89959-354-5, Dresden, 30. September 2005.
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Müller, L., Mailach, R., Vogeler., K, Jia, H., Xi, G.: "Effect of Clocking on Unsteady Blade Loading in a Four-Stage Low-Speed Axial Compressor Part 2: Experimental Investigation ", (ISABE2007-1182), ISABE 2007, Beijing, China, September 2-7, 2007.
