Aspects of discrete tip injection on a multistage axial compressor

Abstract

Die vorliegende Dissertation untersucht die Auswirkungen von Einblasung über der Frontstufe eines mehrstufigen transsonischen Axialverdichters an Hand von Messdaten sowie von stationären wie auch instationären CFD-Berechnungen. Die Basis aller Untersuchungen des Betriebsverhaltens des Gesamtverdichters wie auch der einzelnen Stufen bilden Messdaten, welche während einer umfassenden Messkampagne aufgenommen wurden, bei der diskrete Einblasestellen stromauf des ersten Rotors angeordnet wurden. Vor allem bezüglich der Stufenabstimmung spielte die radiale Verteilung der Stromlinien eine wesentliche Rolle.<br />Ergebnisse mit Einblasung zeigten hier eine deutliche Veränderung der radialen Lage der Stromlinien, welche dazu führte, dass der Rotor an der Spitze entlastet, jedoch an allen anderen Schnitten belastet wurde.<br />Diese Änderung der radialen Rotorabstimmung zeigte sich auch in der Form und Lage der Stufenkennlinien und damit in der radialen Verteilung der Temperatur- und Drucksteigerung.<br />Zusätzlich zu einer geänderten radialen Stufenabstimmung trat eine geänderte axiale Abstimmung, hauptsächlich zwischen den ersten beiden Stufen auf, welche durch die radial geänderten Abströmbedingungen der ersten Stufe hervorgerufen wurde.<br />Basierend auf instationären RANS-CFD Rechnungen sowie auf PIV-Messungen konnte überdies die lokale Strömung an der Rotorspitze, d.h. im Interaktionsbereich zwischen Einblasestrahl und Schaufel, untersucht werden. Aufgrund der Tatsache, dass instationäre Zuströmbedingungen im Relativsystem zum ersten Rotor aufgrund der diskreten Einblaseschlitze erzeugt werden, war ein nicht zu vernachlässigender Einfluss instationärer Strömungseffekte auf die Druck- und Temperatursteigerung des Rotors sichtbar. In Kombination konnten beide Effekte, d.h. die radiale und axiale Umverteilung der Stromlinien sowie die instationäre Umströmung der Rotorschaufeln, als die Haupttreiber des positiven Einflusses auf das Betriebsverhalten des Verdichters ausgemacht werden.<br />Mit dem erlangten Wissen konnte schlussendlich ein vorhandenes Stromlinienkrümmungsverfahren erweitert werden um die Effekte von diskreter Einblasung prädizierbar zu machen, was die Berücksichtigung von Einblasung im Auslegungsprozess ermöglicht.<br />

Fluid injection at the front stage of a multistage transonic compressor is investigated by the use of both measurement data and complementing steady and unsteady RANS-CFD calculations in this thesis.<br />Measurement data acquired by a thorough test campaign, where discrete injection nozzles were placed upstream the front rotor, build the basis for considerations of both overall and stage performance. Particular attention is given to the interaction between stages as well as to changes of radial distribution of mass flow density, both at the rotor's in and outlet. Severe radial re-distribution of streamlines is found at the rotor's inlet due to the injection jet. Blade section inside the jets are unloaded whilst section beneath are loaded leading to a changed radial distribution of pressure and temperature rise over the rotor.<br />This manifests in an altered stage characteristic compared to a baseline case without tip injection, representing the improved capabilities of the front stage regarding stability, temperature and pressure rise. In addition to the impact on operating behavior of the front stage, stage re-matching with the downstream stage is visible as its radial inflow conditions are severely influenced by the altered radial distribution of work and loss of the upstream stage. With the use of results obtained from unsteady RANS-CFD calculations as well as from PIV measurements, the local flow at the rotor's tip, i.e. under direct influence of the injection jets, is also considered. Based on the fact that discrete injection jets impose unsteady inflow conditions to the front rotor in the rotating frame of reference, it is proven that unsteady passage flow is not negligible in determining temperature and pressure rise. Thus, both findings, i.e. radial and axial redistribution of streamlines as well as unsteady passage flow, are eventually combined by an enhanced streamline curvature method, which allows to predict the impact of tip injection for design purposes without the need to use time consuming unsteady CFD calculations.