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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle an Statorgittern bei periodisch-instationären Randbedingungen

Eine vielversprechende Möglichkeit den Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine zu steigern ist die Integration einen druckerhöhenden Verbrennung (Verbrennung bei gleichem Volumen). Dieser Prozess ist hoch instationär und beeinflusst auch benachbarte Turbokomponenten. Unter Anderem ist ein stabiler Betrieb des Verdichters bei den erwarteten instationären Bedingungen sicherzustellen.

Wird die Verbrennung in über den Umfang verteilten Brennrohren durchgeführt, so werden diese im geöffneten Zustand zunächst mit Luft und Brennstoff befüllt und dann zur eigentlichen Verbrennung verdichterseitig geschlossen, um Rückströmungen zu vermeiden. Die Brennrohre arbeiten phasenversätzt, so dass nur eine lokale Störung auf den Verdichter wirkt.

Drosselapparat
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Versuchsaufbau
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An unserem Fachgebiet wird eine zweidimensionale Verdichterkaskade betrieben, welche um einen Drosselapparat erweitert wurde, um die instationäre Randbedingung im Nachlauf des Verdichtergitters aufzuprägen. Abbildung 1 (a) und (b)verdeutlicht den mechanischen Aufbau des Versuchs mit der Drosselvorrichtung. Der Versuchsstand besitzt eine sehr gute Zugänglichkeit für den Einsatz vielfältigster Messtechnik.

Aufgrund der periodischen Austrittsbedingung wird eine umlaufende dynamische Strömungsablösung auf den Verdichterschaufeln induziert. Abb. 2 zeigt Ergebnisse aus PIV Messungen im Mittelschnitt der Messschaufel. Das periodische Androsseln der Passagen hat eine periodische Schwankung des Einströmwinkels b1 zur Folge, wodurch die Verdichterschaufeln bei hohen Einströmwinkeln überlastet werden, die geforderte Umlenkung von Db=60° nicht mehr realisieren können und die Strömung eine oszillierende Hinterkantenablösung ausbildet. Eine stark ausgeprägte Hinterkantenablösung ist zum Phasenwinkel f=210° zu finden, wo die Messpassage im direkten Nachlauf verblockt ist. Zum Phasenwinkel f=360° ist die Messpassage maximal entblockt und die Strömungsablösung an der Hinterkante ist sehr klein.

Dynamische Passagenströmung
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Mittels aktiver Strömungskontrolle konnte innerhalb der ersten Förderungsperiode des SFB 1029 auf die periodische Störung reagiert werden und die Strömung erfolgreich mittels periodisch arbeitender fluidischer Aktuatoren beeinflusst werden.Abbildung 2 zeigt die Anordnung der verwendeten Aktuatorik. Grundsätzlich wirkt die Seitenwandaktuatorik positiv auf das Strömungsfeld, da die Form des Eckenwirbels beeinflusst und dieser dicht an der Seitenwand gehalten wird, wodurch es zu einer geringeren Verblockung der gesamten Passage kommt. In kombinierter Beeinflussung konnten alle Strömungsablösephänomene unterdrückt werden.

Fluidische Aktuatorkonzepte
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Eine Verdeutlichung der Sekundärströmungen in der Untersuchten Strömung zu einem kritischen Phasenpunkt ist in Abb. 4 gezeigt. Ohne aktive Strömungskontrolle (AFC) zeigt sich wieder die starke Hinterkantenablösung und zudem auch eine diffuse Wirbelstruktur im Bereich der Seitenwand. Wird der Seitenwandaktuator eingeschalten, so wird an der Seitenwand eine stabile Wirbelstruktur hergestellt, welche bis zur Hinterkante anhält. Durch die graue Iso-fläche wird Strömungsablösung angezeigt. Diese lässt sich mit nur dem Seitenwandaktuator nicht unterdrücken. Bei kombinierter Beeinflussung wird der Eckenwirbel auf gleicher Weise stabil gehalten und gleichzeitig die Strömungsablösung in der Mitte der  Verdichterschaufel verhindert. Die Oberflächenstromlinien zeigen ebenfalls überall eine Gerichtete Strömung an und lassen dabei auf eine erfolgreiche Stabilisierung der Statorströmung schließen.

Einfluss der Aktiven Strömungskontrolle (AFC) zum phasenpunkt Phi=250°
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