Experimentelle Untersuchung der Relativströmung im Laufrad einer Axialverdichterstufe PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2711 jFachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Heinz Eckhard Gallus Dipl. -Ing. Johannes Lambertz Dipl. -Ing. Theodor Wallmann Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Experimentelle Untersuchung der Relativströmung im Laufrad einer Axialverdichterstufe Westdeutscher Verlag 1978 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Gallus, Heinz Experimentelle Untersuchung der Relativströmung im Laufrad einer Axialverdichterstufe / Heinz Eckhard Gallus; Johannes Lambertz; Theodor Wallmann. - 1. Aufl. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1978. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen; Nr. 2711 : Fachgruppe Maschinen~ bau, Verfahrenstechnik) ISBN 978-3-531-02711-1 ISBN 978-3-322-884°1-5 (eBook) DOI 10.10°71978-3-322-884°1-5 NE: Lambertz, Johannes:; Wallmann, Theodor: © 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeut,scher Verlag ISBN 978-3-531-02711-1 Vor w 0 r t Dieser Bericht schließt das Forschungsvorhaben "Experimentelle Untersuchung der Relativströmung im Laufrad einer Axialverdich terstufe" ab. Trotz der Betonung des Experimentes im Titel um faßt er aber gleichzeitig einige theoretische Ansätze und deren Ergebnisse zur Wechselwirkung benachbarter Schaufelreihen in einer Axialverdichterstufe mit und ohne Vorleitrad. Der Ver gleich zwischen diesen Ergebnissen theoretischer Berechnungs methoden und den experimentell ermittelten Werten liefert wert volle Aufschlüsse über den Stand und die Notwendigkeit der Wei terentwicklung dieser Verfahren zur Berechnung der instationä ren Wechselwirkung. Die Verfasser möchten dem Herrn Minister für Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen für die finanzielle Förderung dieser Forschungsarbeit hiermit verbindlichsten Dank aussprechen. Inhaltsverzeichnis Seite Bezeichnungen 2 1. Einführung 5 2. Versuchsverdichter und Meßeinrichtung 7 2.1 Daten des Unterschallaxialverdichters - allgemeine Meßtechnik 7 2.2 Meßtechnik für vorliegendes Forschungsprojekt 7 2.2.1 Pneumatisch messende Systeme 9 2.2.2 Dynamisch messende Geberelemente 9 2.2.3 Meßeinrichtungen für Wechseldruckmessungen 12 2.2.4 Meßsignalübertragungssysteme 15 2.2.5 Umrüstung des Verdichters zur Aufnahme der Meßeinrichtungen 16 2.3 Kalibrierung der Meßtechnik 19 2.3.1 Eichung der Dreilochnachlaufsonde 19 2.3.2 Eichung der Halbleiterdruckaufnehmer 19 3. Registrier- und Auswertetechnik 21 3.1 Sampling-Technik 21 3.2 Frequenzanalyse 22 3.3 Meßwerteerfassung 22 4. Meßwertkorrekturverfahren; Störeinfluß der Nachlauf sonden 26 4.1 Meßwertkorrektur 26 4.2 Störeinfluß der Nachlaufsonde 28 5. Experimentelle Ergebnisse 29 5.1 Versuchsprogramm 29 5.2 Resultate träger Meßsysteme 35 5.2.1 Allgemeine Verdichtercharakteristik 35 5.2.2 Profildruckverteilungen 38 5.2.3 Nachlaufdellen 42 5.3 Ergebnisse dynamischer Meßsysteme 49 5.3.1 Messungen im rotierenden System 49 5.3.1.1 Schwingungsmessungen 49 5.3.1.2 Messung des instationären Total drucks 50 5.3.1.3 Messungen auf den Laufschaufeln 50 5.3.2 Messungen im Nachleitrad 64 5.3.2.1 Profildruckverteilungen 64 5.3.2.2 Wanddruckverteilungen 69 6. Vergleich mit theoretischen Ansätzen 72 6.1 Stand der theoretischen Berechnungsverfahren 72 6.2 Potentialtheoretische Wechselwirkung 74 6.2.1 Differenzenverfahren 74 6.2.2 Singularitätenverfahren 78 6.3 Nachlaufwechselwirkung 82 6.3.1 Instationäre Tragflügeltheorien 84 6.3.2 Gitterinterferenz 94 6.4 Gegenüberstellung der Einzeleinflüsse 96 7. Zusammenfassung 102 Literaturverzeichnis 103 - 2 - Bezeichnungen *J N Auftrieb mm Breite mm Profilbreite ms-1 Zentripetalbeschleunigung ms-1 Absolutgeschwindigkeit Auftriebsbeiwert Widerstandßbeiwert dimensionsloser Druckverteilungsbeiwert m Koordinate in Ausbreitungsrichtung der Nachlaufdellen dec(x) = x - entier(x); 0 !. dec (x) < 1 D mm Durchmesser entier(x) größte ganze Zahl, die nicht größer als x ist f s -1 Frequenz f w mm Wölbungsrücklage h J kg-1 spezifische Enthalpie H (2) Hankelfunktion zweiter Art in 0 Inzidenzwinkel j imaginäre Einheit t=I k Faktor (natürliche Zahl) k m- 1 Phasenkonstante ko Pa Eichfaktor k1 Pa V -1 Eichfaktor 1 mm (Sehnen-)Länge L mm Wellenlänge m Größe kennzeichnet Druckgradient M Machzahl n s -1 Drehzahl (min -1 ) p Pa Druck q Pa dynamischer Druck r mm Radius R J kg-1 K-1 Gaskonstante s m Koordinate in Bewegungsrichtung s J kg-1 K-1 spezifische Entropie Sr Strouhal-Zahl t mm Teilung t s Zeit T s Periodendauer T K Temperatur u ms -1 Geschwindigkeit parallel zur Sehne u ms-1 Umfangsgeschwindigkeit U V Spannung V m Verschiebeweg (s. Abb. 24) v ms-1 Geschwindigkeit senkrecht zur Sehne Y! ms-1 Relativgeschwindigkeit w ms-1 komplexe Amplitude des Aufwindes x m Koordinate in axialer Richtung y m Koordinate in Umfangsrichtung y J kg-1 spezifische Strömungsarbeit z Schaufelzahl *)Es wird das physikalische Maßsystem mit den Einheiten kg, m, s für die Masse, die Länge bzw. die Zeit verwendet. - 3 - o a Winkel der Absolutströmung ß Winkel der Relativgeschwindigkeit y ms-1 Wirbeldichte r m2 s -1 Zirkulation A Differenz n Wirkungsgrad Anteil der ebenen Plattenverteilung an der IC Gesamtzirkulation Koordinate parallel zur Sehne ~ Druckverhältnis 11 Kreiskonstante 11 P Dichte Durchflußkennzahl 'f rad Phasenwinkel 'fF 1jI kg ms-1 Stromfunktion w* reduzierte Frequenz Indizes a absolut a außen A Austritt A angezeigter Wert B Biegung D Delle e Erregung eff effektiv E Eintritt E Einzelschaufel f frei F Folgegitter i instantan INA auf INA-Normbedingungen bezogen L links La Laufrad m mittlerer Wert M Meßort M Mitte max maximaler Wert min minimaler Wert N Nachbargitter NLe Nachleitrad P Profil R Restgitter R (Dellen-) Rand R rechts r relativ s Sehne s statisch t transeunt t total T Torsion T Periodendauer - 4 - u Umfangs komponente V Vorgitter VLe Vorleitrad x,y,z in Richtung x,y,z o Ebene vor Vorleitrad o stationäre Größe 1 Axialspaltebene vor Laufrad 2 Axialspaltebene vor Nachleitrad 3 Ebene hinter Nachleitrad Übergesetzte Zeichen * Konstruktionsdaten zeitlicher Mittelwert Amplitudengrößen instationärer Anteil Ableitung nach der Zeit Abkürzungen DS Druckseite m VLE mit Vorleitrad o VLe ohne Vorleitrad SS Saugseite - 5 - 1. Einführung Die Untersuchung der Relativströmung im Laufrad einer Axial verdichterstufe soll einen praxisnahen Beitrag zur Erfassung der durch die Einflüsse eines vor- bzw. nachgeschalteten Leit rades sehr komplexen Strömungsvorgänge liefern. Die Strömungs fluktuationen aufgrund der Wechselwirkung zwischen stehenden und rotierenden Gittern nehmen Einfluß auf die innere Energie umwandlung. auf die Erregung von Schaufelschwingungen. auf Grenzschichtverhalten sowie Ablösevorgänge und - als Folge - auf die Verluste und die Lärmerzeugung. Die Beschreibung der Vorgänge läßt sich aufspalten in eine potential-theoretische Betrachtungsweise und eine mit Berück sichtigung der Einflüsse des realen Fluids. Die Einflußgrößen der potential-theoretischen Wechselwirkung relativ zueinander bewegter Schaufelreihen sind zunächst ein mal geometrischer Art. Die Profil- und Gittergeometrie sowie die Axialspaltweiten zwischen benachbarten Schaufelreihen be einflussen diese Wechselwirkungen wesentlich. Weitere Einfluß größen sind die Drehzahl des Rotors und die Kompressibilität des StrömungsfluidS. Theoretische Lösungen zu diesem Problemkreis [9;10;11J wurden bisher überwiegend bei quasistationärer BetraChtung verschie dener relativer Positionen der Leit- und Laufschaufelreihen erstellt. Ergebnisse eines Differenzenverfahrens nach Ispas [12J sind im Abschnitt 6.2.1 vorgestellt. In der realen zähigkeitsbehafteten Strömung bilden sich auf grund der ProfilgrenzschiChten Nachlaufdellen hinter den Schau felaustrittskanten. Im Bereich dieser Nachlaufdellen ergibt sich für nachgeschaltete relativ bewegte Schaufelreihen ein Gebiet der Falschanströmung. Für Verdichter wirkt sich diese periodische Falschanströmung (s. Abb. 26) in einer Erhöhung der Umlenkung durch das FOlgegitter aus. Die Effekte periodischer Falschanströmung werden von verschie denen Autoren [13;14;15J behandelt. Alle Verfahren setzen eine reibungsfreie, ebene und inkompressible Strömung voraus und beschränken sich auf schwach gekrümmte Profile. Aufbauend auf diese Verfahren werden im Abschnitt 6.1.2 eigene Arbeiten vor gestellt. Die rein rechnerische Behandlung aller Probleme gestaltet sich wegen des gleichzeitigen Auftretens und der gegenseitigen Be einflussung der verschiedenen Phänomene sehr schwierig. Experi mentelle UnterSUChungen wurden zunächst an vereinfachten Ver suchsmodellen durchgeführt [16J. Fasso und Larguier [17J führten Wechseldruckmessungen auf ver schiedenen Leitradschaufeln eines 50-MW-Kompressors aus. Sexton. - 6 - O'Brien, Moses ~m setzten einen Wechseldruckaufnehmer auf der Profiloberfläche einer Axialverdichterlaufschaufel ein. Eigene Untersuchungen der Autoren wurden bereits in [19; 20; 21; 22J vorgestellt. Die Aufgabe weiterer Untersuchungen besteht darin, realisti sche Verfahren zur Beschreibung der Strömung zu entwickeln. In neuen Rechenverfahren muß daher im Hinblick auf die prak tisch interessanten Fälle im Bereich hoher Unterschallmach zahlen und für transsonische Beschaufelungen die Kompressibi lität der Strömung mit berücksichtigt werden. Wenn auch zur Zeit noch kein praktikables Lösungsverfahren, das die Reibung mit berücksichtigt, vorhanden ist, muß durch moderne Rechen verfahren eine mit Dellen behaftete, in Umfanesrichtung nicht homogene Zuströmung erfaßt werden können. Weiterhin ist der Einfluß der instationären Vorgänge auf das Grenzschicht- und Ablöseverhalten wichtig, da sich die Profilverluste entspre chend der relativen Stellung der Nachlaufdelle zur angeström ten Schaufel periodisch ändern. Das gleichzeitige Auftreten und die gegenseitige Beeinflus sung der verschiedenen Ursachen und Wirkungen in der fluktu ierenden Strömung der Turbomaschine erschwert die rein rech nerische Behandlung des vollständigen Problems. Um das Gesamtverhalten der periodisch instationären Strömung durch Wechselwirkung relativ zueinander bewegter axialer Schau felreihen zu messen und zu analysieren, bedarf es systemati scher Untersuchungen in Versuchsstufen, die alle typischen Randbedingungen der realen Maschine aufweisen. Die quasista tionären Meßwerte sollten im ganzen Strömungsfeld und an den Wänden der Strömungskanäle zwischen den Leit- bzw. Laufschau feln zum Vergleich gemessen und die Haupteinflußgrößen weit gehend variiert werden können. Die letztgenannte Forderung läßt sich in Versuchsstufen üblicher Ausführung nur in be grenztem Umfang realisieren. In diesem Forschungsbericht werden Versuchsstufe, Meßtechnik, Versuchsprogramm und Meßergebnisse vorgestellt. Daran schlie ßen sich Vergleiche mit theoretischen Ansätzen an.
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