Experimental investigations into the behavior and influence of water droplets in a compressor cascade flow

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-10835
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Thermodynamik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Joos, Franz Prof. Dr.-Ing.
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.04.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum:
Freie Schlagwörter (Englisch): inlet-fogging, high-fogging, wet compression, gas turbine, water droplets
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Englisch:

In recent years inlet and high fogging systems are gaining more importance for power augmentation of gas turbines. Because of limited fundamental experimental data available, the aim of this work is to provide first experimentally obtained data of the behavior and influence of water droplets in a compressor cascade. --- The existing open cascade wind tunnel of the Laboratory of Turbomachinery of the Helmut-Schmidt-University, University of the Federal Armed Forces Hamburg is extended, to allow the injection of water droplets into the airflow using injection pin nozzles. --- The non-intrusive Phase-Doppler-Anemometry (PDA) is used to measure the air velocities and the velocities and diameters of the water droplets inside the cascade. To investigate the ligament formation and breakup at the trailing edge of an airfoil the non-intrusive shadowgraphy technique is applied. --- For water ladden flows it is found, that even small water droplets are not capable to follow the airflow. With increasing droplet diameter the angular deviation rise, but for large droplets the deviation hardly changes. --- The Stokes number (St) is used to evaluate the angular and velocity deviations of different droplet size classes. With increasing Stokes number the deviation increase, but approach a maximum value. --- Evaluating the local Weber number (We) around an airfoil reveals, that the Weber numbers are small. Hence breakup of the droplets, due to aerodynamic forces, almost always results from vibrational breakup only. --- In the region between the airfoils the droplet diameters are comparable to the diameters measured in the inlet. But downstream of the trailing edge the diameters reach a minimum value independent of water load and air velocity. --- Investigations of the ligament formation and breakup of the trailing edge of the airfoil show, that the ligament length increases with higher water loads and decreases with higher airflow velocities. The droplet sizes resulting from the breakup reach a lower value with increasing distance from the airfoil. --- Investigating the influence of the water droplets in the airflow reveals a decrease of the airflow velocity. The loss coefficient obstained, using the wake momentum thickness, increases for water laden flows.

Kurzfassung auf Deutsch:

In den vergangenen Jahren haben Inlet und High Fogging Systeme zur Steigerung der Leistung von Gasturbinen an Bedeutung gewonnen. Ziel dieser Arbeit ist, erste experimentelle Ergebnisse zum Einfluss und Verhalten von Wassertropfen in der Stömung eines Verdichtergitters bereitzustellen. --- Der bereits existierende offene Gitterwindkanal des Laboratoriums für Strömungsmaschinen der Helmut-Schmidt-Universität, Universität der Bundeswehr Hamburg wurde erweitert, um das Eindüsen von Wasser mit Hilfe von Pralldüsen zu ermöglichen. --- Mit dem berührungslosen Phasen-Doppler-Anemometer (PDA) werden die Strömungsgeschwindigkeiten der Luft sowie die Geschwindigkeiten und die Durchmesser der Wassertropfen innerhalb des Verdichtergitters gemessen. Zur Untersuchung der Ligament Bildung und ihres Zerfalls an der Hinterkante einer Schaufel wird das berührungslose Shadowgraphy-System eingesetzt. --- In wasserbeladenen Strömungen können selbst kleinere Tropfen der Strömung nicht folgen. Mit steigendem Durchmesser nimmt die Abweichung vom Strömungswinkel zu, ändert sich aber nur noch marginal für große Tropfen. --- Mit der Stokes Zahl (St) werden die Abweichungen bei der Strömungsgeschwindigkeit und bei dem Strömungswinkel beschrieben. Mit steigender Stokes Zahl erhöhen sich die Abweichungen, erreichen aber einen maximalen Wert. --- Die ermittelten niedrigen lokalen Weber Zahlen (We) um eine Schaufel machen deutlich, dass hauptsächlich der Schwingungszerfall von Tropfen, verursacht durch aerodynamische Kräfte, auftritt. --- Die Tropfendurchmesser zwischen den Schaufeln sind vergleichbar mit denen im Einlass. Aber stromabwärts der Hinterkante sinken die Durchmesser unabhängig von der Wasserbeladung und der Strömungsgeschwindigkeit auf ein Minimum. --- Untersuchungen der Bildung und des Zerfalls von Ligamenten an der Hinterkante einer Schaufel ergeben, dass die Länge der Ligamente mit höherer Wasserbeladung steigt und mit größeren Luftgeschwindigkeiten abnimmt. Die aus dem Ligamentzerfall resultierenden Tropfendurchmesser erreichen einen Minimalwert mit wachsender Distanz von der Hinterkante. --- Untersuchungen des Einflusses der Tropfen auf die Luftströmung zeigen, dass es bei wasserbeladenen Strömungen zu einer Reduzierung der Luftgeschwindigkeit kommt. Der Verlustbeiwert, berechnet aus der Impulsverlustdicke der Nachlaufströmung, steigt bei der Wasserbeladung.

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