Experimental investigation on the Aerodynamic Performance of a Compressor Cascade in Droplet Laden Flow

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-30325
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Thermodynamik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Franz Joos
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.06.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Gasturbine , Leistungssteigerung , Aerodynamik , Strömungsmechanik , Kaskade
Freie Schlagwörter (Deutsch): Gasdruck, Modifikation, Verdichtungskaskade, Strömungstechnik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Eine Methode zur kurzfristigen Leistungssteigerung von Gasturbinen ist das Eindüsen flüssigen Wassers in den Ansaugbereich des Verdichters. Hierbei handelt es sich um eine etablierte Technik, die in der Lage ist, Minder- leistung, wie sie beispielsweise durch hohe Umgebungstemperaturen her- vorgerufen wird, durch den kühlenden Effekt des verdunstenden Wassers auszugleichen. Allerdings sind die Auswirkungen auf das aerodynamische Verhalten der Verdichterbeschaufelung nicht erschöpfend erforscht. Das Wissen um die Einflüsse, die durch die Anwesenheit flüssiger Wassertropfen in der Verdich- terströmung hervorgerufen werden, ist unverzichtbar in dem Bestreben, das Potenzial dieser Technologie bestmöglich zu nutzen. Ein verbessertes Verständnis der zugrundeliegenden Effekte trägt dazu bei, Gasturbinen eine Leistungscharakteristik zu verleihen, die sie in die Lage versetzen, den gesteigerten Flexibilitätsanforderungen, welche aus der stei- genden Erzeugungskapazität erneuerbarer Energiequellen und den politis- chen Rahmenbedingungen erwachsen, gerecht zu werden. Um die Wissensbasis in diesem Bereich zu erweitern, werden in dieser Arbeit die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an einer Verdichterkaskade präsentiert. Die Beschaufelung der Kaskade ist abgeleitet von der Rotorbe- schaufelung eines Axialverdichters. Die Versuche behandeln das Verhalten der Beschaufelung bei variierenden Eintrittsmachzahlen, Wasserbeladungen der Strömung und Anstellwinkeln der Beschaufelung. Der Versuchsaufbau besteht im Wesentlichen aus einem geschlossenen Wind- kanal, in dem die Kaskade montiert ist, und einem Phasen Doppler Anemo- meter, einem laserbasierten Messsystem, das in der Lage ist, die Geschwin- digkeit und Größe eines in der Verdichterströmung befindlichen Wassertro- pfens, zu bestimmen. Diese Arbeit umfasst die Beschreibung der Versuchsanlage, die Darstellung der den Versuchen zugrundeliegenden, physikalischen Konzepte sowie die Auswertung und Interpretation der Messergebnisse.?Die Auswertung der Ergebnisse basiert auf den Geschwindigkeitsmessungen der Strömung in Ein- und Austrittsebene der Kaskade sowie im Schaufelka- nal. Die Auswertung zielt darauf ab, die Einflüsse, die durch die Präsenz der Wassertropfen in der Strömung hervorgerufen werden zu identifizieren. Hierzu wird ein Vergleich zu einer Referenzströmung gezogen, die nicht mit Wassertropfen beladen ist. Die Ergebnisse beinhalten qualitative Bewer- tungen zum Verhalten des Wassers auf der Beschaufelung, die Analyse und Bewertung der Geschwindigkeitsprofile im Kaskadenaustritt sowie die Un- tersuchung des Folgeverhaltens verschiedener Tropfenklassen anhand der Messungen im Schaufelkanal. Weiterführende Auswertungen bestimmen den Verlustbeiwert, Abströmwinkel, DeHaller-Zahl und Stromschichtdick- enverhältnis (AVDR) jeder Messreihe. Die Ergebnisse zeigen, dass die in der Strömung vorhandenen Wassertropfen die Aerodynamik der Verdichterströmung teilweise erheblich beeinflussen. Hier sind zwei Haupteffekte zu nennen. Zum einen ein Strömungsablösun- gen dämpfender Effekt, der den Betriebsbereich der Beschaufelung bei sehr niedrigen Anstellwinkeln erweitert und zu verminderten Verlusten führt. Zum anderen ein verlustverstärkender Effekt, der bei mittleren und hohen Anstellwinkeln auftritt und primär auf den auf der Beschaufelung befind- lichen Wasserfilm zurückzuführen ist.

Kurzfassung auf Englisch:

One approach for the power augmentation of gas turbines is to inject liquid water into the compressor intake. This established technology, commonly referred to as inlet fogging or overspray fogging, is able to overcome power output deficits that occur in environments with high ambient temperatures. This is achieved by the cooling effect that evaporating water exerts on the intake air. However, the effects of the application of this technology on the aerodynamic behavior of compressor blades is not yet fully understood. The knowledge of the influences that are provoked by the presence of liquid water droplets in the compressor flow is vital for the endeavor to fully utilize the potential of this technology. An improved understanding of the underlying basic principles contributes to adapting the performance characteristics of gas turbines to cater for increas- ing demands for flexibility, which arise from a growing renewable generation capacity in the grid and economic and political boundary conditions. In order to broaden the knowledge base in this field, the results of ex- perimental investigations, conducted on a linear compressor cascade are presented in this work. The blades that were mounted in the cascade are derived from the rotating blades of an axial compressor. The experiments focused on the aerodynamic behavior of the cascade under varying bound- ary conditions. The variables were: inlet Mach number, water load of the flow and incidence angle. The test rig comprises essentially a wind tunnel which contains the compres- sor cascade and a Laser-Doppler-Anemometer, a laser based measurement technique that is capable of recording the velocity and size of a water droplet traveling through the wind tunnel. This work includes the description of the test rig, the discussion of the un- derlying physical principles as well as the compilation and interpretation of the experimental results.?The compilation of the results is based on the velocity measurements at the cascade’s inlet and discharge plane as well as the inter blade flow chan- nel. The interpretation of the results aims at identifying the influences provoked by the presence of water droplets in the compressor flow. In order to achieve this, the water laden flow is compared to a dry reference flow. The results include a qualitative analysis of the water movement on the blade surface, the analysis of the flow in the cascades discharge plane and the ability of different droplet classes to follow the flow in the inter blade flow channel. Further investigations show the loss coefficient, discharge flow angle, DeHaller number and the axial velocity density ratio (AVDR) of each experiment.?The results show that the droplets present in the flow influence the aerody- namics of the blades considerably on some operating points. Two main ef- fects can be identified. Firstly, a dampening effect on flow separations, that broadens the operating regime for very low incidence angles and reduces losses. Secondly a loss increasing effect that can be primarily accounted to the water film on the blade surface in the mid range of incidence angles.

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