Aktive Strömungskontrolle an einem hochbelasteten Verdichtergitter mit instationären Randbedingungen

In this dissertation results from a compressor cascade with periodic non-steady outflow conditions are shown. All experimental results were conducted utilizing a 2D low-speed compressor cascade at a Reynolds number of Re=600,000. The presented research gained important insights on the flow structures as they occur in a gas turbine with pulsed detonation combustion (PDC). In such a scenario the outflow condition in the last stator vanes is highly unsteady and periodically occurring aerodynamic overloads of the airfoils can lead to a compressor stall. The outflow-boundary condition was mimicked using 21 flaps that were mounted in the wake of a compressor cascade. These flaps were used to locally block the outflow of a stator passage. This simulated the condition of a closed combustion tube in a PDC-cycle. The flaps were opened/closed sequentially with a given reduced frequency. The resulting flow dynamics led to strong periodic flow separations in the stator passages. Pulsed blowing active flow control (AFC) was applied to re-attach the flow. The designed actuators were based on the principle of fluidic amplification. Side-wall actuators were used to mitigate the corner separation of the low aspect ratio, highly loaded stator blades. Another set of actuators was installed at the suction surface of the compressor blades. These blade actuators mitigated the flow separation on the suction surface of the stator blades. With the combined AFC setup it was feasible to fully suppress flow separations. This led to a loss reduction of Δζ=12% and simultaneously increased the static pressure recovery by ΔC_p=7%, using optimized actuation momentums for side-wall and blade actuators.In dieser Dissertation werden Ergebnisse gezeigt, welche an einer Verdichterkaskade mit periodisch instationären Abströmbedingungen gewonnen worden sind. Alle experimentellen Untersuchungen wurden unter Verwendung einer 2D-Niedergeschwindigkeits-Verdichterkaskade durch den Einsatz verschiedener Messtechniken gemessen. Die Reynoldszahl betrug dabei stets Re = 600.000. Die vorgestellten Forschungsergebnisse tragen zum Verständnis der Verdichterstatorströmung, wie sie in einer Gasturbine mit Pulsierender Detonationsverbrennung auftritt, bei. Die Strömungstopologie zeichnet sich hierbei durch starke instationarität und periodisch auftretende aerodynamische Überbelastungen der Statorschaufeln aus. Diese Überbelastung kann zu einem Verdichterpumpen führen, welches in Folge den Verdichter zerstören kann. Im Nachlauf der Verdichterkaskade sind 21 Klappen montiert. Diese Klappen wurden verwendet, um eine dynamische Abströmbedingung auf die Verdichterpassagen aufzuprägen. Die Klappen lassen sich lokal schließen und wieder öffnen, wodurch Zustand eines geschlossenen Verbrennungsrohrs in einem Zyklus der periodischen Detonationsverbrennung simuliert wird. Die Klappen wurden nacheinander mit einer vorgegebenen reduzierten Frequenz geschlossen und wieder geöffnet, woduch sich ein durchlaufenden Störmuster ergab. Die resultierende Strömungsdynamik führte zu starken periodischen Strömungsablösungen in den Statorpassagen. Durch die Verwendung aktiver Strömungskontrollmaßnahmen konnte die abgelöste Strömung zum Wiederanlegen gebracht werden und damit die Stabilität des Verdichterstators wiederhergestellt werden. Die entworfenen Druckluftaktuatoren basierten auf dem Prinzip der fluidischen Verstärkung. Seitenwandaktoren wurden verwendet, um die Eckenablösung der hochbelasteten Statorschaufeln zu reduzieren. Auf der Saugseite der Verdichterschaufeln wurde ein weiterer Satz Aktuatoren installiert. Diese Schaufelaktoren verringern die saugseitige Strömungsablösung. Mit dem kombinierten Aktuationssetup war es möglich die Strömungsablösungen vollständig zu unterdrücken, wobei eine Verlustreduktion von Δζ=12% bei gleichzeitiger Erhöhung des statische Druckrückgewinns um ΔC_p=7% im Falle einer optimierten Ausblaskonfiguration der Aktuatoren realisiert werden konnte