Universität Stuttgart
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Item Open Access Circumferential groove casing treatments in centrifugal compressor aerodynamics(2021) Bareiß, Simon; Vogt, Damian M. (Prof. Dr. Tekn.)Die vorliegende Dissertation untersucht die Anwendbarkeit von gehäuseseitigen Umfangsnuten in Radialverdichtern. Für Axialverdichter konnten mithilfe dieser Art von casing treatment bereits vielversprechende Verbesserungen erzielt werden, die auch für viele Anwendungsgebiete von radialen Maschinen sehr vorteilhaft wären. Allerdings fehlte es bisher an entsprechenden Studien und die Frage der Übertragbarkeit blieb ebenfalls noch ungeklärt. Aufgrund der stark unterschiedlichen Charakteristik der Strömungsfelder liegt das Hauptaugenmerk dieser Untersuchung einerseits auf der generellen Wirksamkeit dieser Nuten in Radialverdichtern. Andererseits befasst sich die Arbeit mit der zugehörigen Auslegung und den aerodynamischen Wirkmechanismen. Hierfür wurde eine kombinierte Studie konzipiert, bei der sowohl numerische als auch experimentelle Methoden zum Einsatz kommen. Zur Untersuchung verschiedener Nutvarianten wurde ein repräsentativer Radialverdichter samt dem zugehörigen Versuchsstand und den numerischen Modellen entwickelt und aufgebaut. Anschließend wurde im ersten Schritt eine Parameterstudie bezüglich des Einflusses verschiedener Designparameter der Nuten auf die Verdichterströmung durchgeführt. Dabei konnten eindeutige Trends identifiziert werden. Der größte Einfluss wurde für die Lage der Nut beobachtet, wobei sich eine Platzierung in Richtung des Verdichtereintritts als vorteilhaft für Wirkungsgrad und Druckverhältnis erwies. Außerdem erzielten große Anstellwinkel und normalisierte Öffnungsbreiten zwischen 4 und 10% der abgewickelten Schaufellänge die besten Ergebnisse, unabhängig von der Lage. Die Ergebnisse bei Verwendung mehrerer Nuten lassen darauf schließen, dass die Einzeleffekte überlagert werden können, ohne dass es zu einer negativen gegenseitigen Beeinflussung kommt. Darüberhinaus konnte ein vergleichmäßigender Effekt auf die gehäusenahe Strömung festgestellt werden, der Grund zur Annahme einer Stabilitätserweiterung darstellt. Basierend auf den Ergebnissen konnten entsprechende Auslegungsrichtlinien abgeleitet werden. Zusätzlich wurden zwei vielversprechende Varianten für weitere Tests und genauere Untersuchungen ausgewählt und gefertigt. Hierfür wurden zwei verschiedene Diffusoren, mit und ohne Beschaufelung, eingesetzt, um eine klare Abgrenzung der Effekte zu ermöglichen. Im Großen und Ganzen zeigten die Messungen eine deutliche Verbesserung des Verdichterkennfelds für beide Varianten. Der stabile Betriebsbereich konnte, abhängig von der jeweiligen Konfiguration und der entsprechenden Drehzahlkennlinie, um mehrere Prozentpunkte erweitert werden. Zusätzlich wurde eine Verbesserung der Wirkungsgrades und des Gesamtdruckverhältnisses beobachtet, wobei typische Verbesserungen von etwa einem halben Prozentpunkt im Gesamtwirkungsgrad erreicht werden. Sowohl die experimentellen Daten als auch die numerischen Resultate führen diese Effekte auf eine Beeinflussung der gehäusenahen Strömung zurück. Als Hauptmechanismus kann dabei die Verminderung von aerodynamischen Versperrungen identifiziert werden, die zu einer Erweiterung des Betriebsbereichs und zur verbesserten Verdichterleistung führt. Im Wesentlichen ermöglichen wirksame Nuten eine Umverteilung der lokalen Schaufelspaltströmungsanteile, was zu einer Abschwächung der saugseitigen Beeinflussung der Hauptströmung, und damit zu einer Abschwächung der Versperrungen, führt. Allerdings wurden Unterschiede bezüglich der Nutlage in Bezug auf die Verdichterstabilität ausgemacht. Nuten im unmittelbaren Eintrittsbereich beeinflussen direkt die Entstehung des Spitzenspaltwirbels, was zu einer entsprechenden Ablenkung und Abschwächung führt. Dies wiederum verzögert das Überströmen in benachbarte Passagen, was die Instabilität der Strömung im subsonischen Bereich initiiert. Nuten im gekrümmten Bereich des Verdichters hingegen entlasten die stark versperrten Bereiche nahe der Zwischenschaufeln durch die Vermeidung von Rückströmungen und Überströmeffekten, welche für die Destabilisierung bei transonischen Bedingungen verantwortlich sind.Item Open Access Experimental and numerical investigation on aero-thermodynamics in a low-pressure industrial steam turbine with part-span connectors(Düren : Shaker Verlag, 2020) Häfele, Markus; Vogt, Damian (Prof. Tekn. Dr.)Industrial steam turbines are designed for flexible, reliable and robust operation with the ability for short start-up times. Basically assigned to the power class up to 250 MW, this type of turbine is normally operated over an extremely wide range of speed, loading and backpressure. In order to ensure safe turbine operation, even in blade resonance condition, part-span connectors (PSC) are mounted between adjacent blades. However, additional losses are generated, affecting the turbine performance. The main focus of the present work is put on the loss due to PSCs in low-pressure (LP) steam turbine blading. Turbine test rig measurements under real steam conditions and three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) utilizing a non-equilibrium steam model are conducted. Both reveal strongly pronounced aero-thermodynamic effects of the PSCs on the wet steam flow, whereby the PSC in the last stage LP blading results in a reduction of stage efficiency by almost 4% at the best efficiency point. Based on the acquired experimental data, the developed CFD models are validated successfully over a wide range of operating conditions. Overall, the applied models are suitable for an industrial design process. Within a PSC parameter study, a performance assessment of PSC designs is presented. Moving a cylindrical PSC down to mid-span and further lowering its diameter provides the largest leverage in terms of efficiency gain. Additional benefits can be achieved by switching to a more streamlined shape. The PSC study is complemented by a validation of analytical loss correlations widely used in industry. Overall, a good agreement is found between the correlations and CFD. In conclusion, using the present results a substantial improvement of turbine efficiency can be achieved.Item Open Access On the far-field boundary condition treatment in the framework of aeromechanical computations using ANSYS CFX(2021) Müller, Tobias R.; Vogt, Damian M.; Fischer, Magnus; Phillipsen, Bent A.This numerical study aims at predicting the reflective behavior of different conventional inlet and outlet far-field boundary conditions as well as available non-reflecting boundary conditions (NRBC) implemented in the commercial CFD solver ANSYS CFX. An isolated rotor model of an axial turbine stage with prescribed blade displacement is applied as test case to consider a representative application case, while at the same time provoke an unsteady flow field featuring pronounced flow perturbations in the far-field. Since the reflective behavior of the implemented boundary conditions was found inadequate in the given application case, a zonal treatment of the inlet and outlet far-field, based on a modification of the governing Navier-Stokes equations, is investigated. The applied approach has proven its capability to suppress spurious reflections reliably, while at the same time ensures a preservation of the reference flow conditions within the required domain extensions. The results of a case study considering calculation domains of different spatial extent and different treatments of their respective far-fields suggest variations in the steady flow aerodynamics to be of moderate influence on the predicted aerodynamic damping, while spurious reflections were found to falsify the unsteady aerodynamics considerably.Item Open Access Numerical analysis of loss and performance optimization efforts for LP steam turbine exhaust hoods(2024) Munyoki, Dickson; Vogt, Damian (Prof. Tekn. Dr.)Most of the world’s power is produced by large steam turbines using fossil fuel, nuclear and geothermal energy. The LP exhaust hoods of these turbines are known to contribute significantly to the losses within the turbine, hence a minor improvement in their performance, which results in a lower back-pressure and hence higher enthalpy drop for the steam turbine, will give a considerable benefit in terms of fuel efficiency. This thesis is divided in two parts: In the first part, a detailed numerical analysis of sources of loss in LP exhaust hoods is carried out. The methodology used in doing this starts with a well known approach from literature where the diffuser inflow is divided into sectors and the streamlines originating from these sectors are used for flow field visualization. In the new approach, this existing procedure is developed further such that the flow properties of the various streamlines are analysed at predetermined evaluation surfaces within the flow domain. In so doing, this more advanced methodology shows clearly where most losses occur within the flow domain and makes it easier to make decisions for improving the exhaust hood performance. Using this approach, most losses are found to occur at the upper hood and are associated with the swirling flows resulting from the difficulty experienced by the flow in turning towards the condenser. At the lower side of the diffuser, the initial flow direction is more or less towards the condenser hence these flows contribute less to exhaust hood losses. The numerical results of the reference configuration based on a scaled axial-radial diffuser test rig operated by ITSM are thoroughly validated at both the design and overload operating conditions and at three tip jet Mach numbers (0, 0.4 and 1.2). The second part of the thesis focuses on possible modifications of LP exhaust hoods to achieve better performance. Having identified that most losses occur at the upper hood and the reason for it well understood, the influence of changing the hood height above the diffuser is extensively investigated at design load. It is found that the hood height has huge impact on performance and that an optimum hood exists for a given tip jet Mach number. Deflector configurations at the upper hood are also investigated. They are found to redirect the flow at the upper hood and minimise the intensity of the swirling flows hence leading to improvement in performance of LP steam turbine exhaust hoods. The best performing deflector configuration, the double wall deflector, is found to give a considerable improvement in performance amounting to 20% at design load and 40% at overload both at tip jet Mach number of 0.4 (corresponding to shrouded last stage blades).Item Open Access A Lanczos-filtered harmonic balance method for aeroelastic applications of turbomachinery resolving unsteady turbulence effects(2022) Heners, Jan Philipp; Vogt, Damian (Prof. Tekn. Dr.)Item Open Access Investigation of the operating point influence on the low-engine-order excitation in vaneless radial turbines(2024) Kovachev, Nikola; Vogt, Damian (Prof. Tekn. Dr.)Aerodynamic excitation in turbomachines can induce synchronous forced response vibrations, which may pose a high risk due to High-Cycle-Fatigue (HCF) failure of the rotor when excited at resonance. In the case of vaneless radial turbines, which are often used in turbochargers, the excitation mainly occurs at the so-called Low Engine Orders (LEO) stemming from asymmetrical geometry of the volute. These machines are operated dynamically over a wide range of operating conditions, constantly altering the harmonic blade forces and, hence, the aerodynamic excitation. The current work aims at providing a thorough understanding of the mechanisms for the variation of the LEO excitation as a function of operating point. Therefore, numerical and experimental investigations are performed on three vaneless radial turbines of similar size. The numerical investigations are performed at numerous operating points, employing transient Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. An analysis of local excitation variations on the blade surface at changed operating conditions has shown that these are governed by the wheel’s inflow velocity triangle and the dynamic pressure. Incidence variations, in particular, have a crucial impact on the harmonic pressure distribution and may cause a non-linear forcing behavior between operating points. Besides, an increase of the dynamic pressure ideally corresponds to a proportional rise in the excitation. A deviation to this proportionality occurs due to flow phenomena, such as the tip clearance flow, that modulate the forcing field originating from the volute. These observations are found to be valid but with a distinctive effect at the different LEOs and test objects. Consequently, the shape of an excitation map, describing the forcing under different operating conditions, is unique for each resonance crossing. However, it can be related to the excitation variation mechanisms of the local forcing. The numerical results are largely supported by the experimental vibration data, measured by means of blade tip timing. This confirms that significant differences in the aerodynamic excitation, sometimes at a factor of more than two, are present due to a change of operating conditions as well as between the mistuned response of the blades at a single resonance crossing.Item Open Access Prediction of transient pressure fluctuations within a low-pressure turbine cascade using a Lanczos-filtered harmonic balance method(2021) Heners, Jan Philipp; Stotz, Stephan; Krosse, Annette; Korte, Detlef; Beck, Maximilian; Vogt, DamianUnsteady pressure fluctuations measured by fast-response pressure transducers mounted in a low-pressure turbine cascade are compared to unsteady simulation results. Three differing simulation approaches are considered, one time-integration method and two harmonic balance methods either resolving or averaging the time-dependent components within the turbulence model. The observations are used to evaluate the capability of the harmonic balance solver to predict the transient pressure fluctuations acting on the investigated stator surface. Wakes of an upstream rotor are generated by moving cylindrical bars at a prescribed rotational speed that refers to a frequency of 𝑓∼500 Hz. The excitation at the rear part of the suction side is essentially driven by the presence of a separation bubble and is therefore highly dependent on the unsteady behavior of turbulence. In order to increase the stability of the investigated harmonic balance solver, a developed Lanczos-type filter method is applied if the turbulence model is considered in an unsteady fashion.Item Open Access Numerical investigation of the excitation characteristics of contaminated nozzle rings(2024) Beierl, Michaela R.; Vogt, Damian M.; Fischer, Magnus; Müller, Tobias R.; So, Kwok KaiThe deposition of combustion residues in the nozzle ring (NR) of a turbocharger turbine stage changes the NR geometry significantly in a random manner. The resultant complex and highly asymmetric geometry induces low engine order (LEO) excitation, which may lead to resonance excitation of rotor blades and high cycle fatigue (HCF) failure. Therefore, a suitable prediction workflow is of great importance for the design and validation phases. The prediction of LEO excitation is, however, computationally expensive as high-fidelity, full annulus CFD models are required. Previous investigations showed that a steady-state computational model consisting of the volute, the NR, and a radial extension is suitable to reduce the computational costs massively and to qualitatively predict the level of LEO forced response. In the current paper, the aerodynamic excitation of 69 real contaminated NRs is analyzed using this simplified approach. The results obtained by the simplified simulation model are used to select 13 contaminated NR geometries, which are then simulated with a model of the entire turbine stage, including the rotor, in a transient time-marching manner to provide high-fidelity simulation results for the verification of the simplified approach. Furthermore, two contamination patterns are analyzed in a more detailed manner regarding their aerodynamic excitation. It is found that the simplified model can be used to identify and classify contamination patterns that lead to high blade vibration amplitudes. In cases where transient effects occurring in the rotor alter the harmonic pressure field significantly, the ability of the simplified approach to predict the LEO excitation is not sufficient.Item Open Access Novel concept for the control and operation of radial turbine(2023) Hassan, Ahmed Farid Saad Ayad; Vogt, Damian M. (Prof. Tekn. Dr.)Radial turbines have proven their capability in many applications, due to their ability to operate at high-pressure ratios, structure robustness, and inherent cost advantages compared to the axial turbine. Controlling their performance allows efficient operation, even when operating at off-design conditions. Various control concepts are used for this purpose. These concepts depend mainly on movable parts and complicated control mechanisms, which limits radial turbines usability in some applications. Hence the need rises for a new control concept based entirely on fixed parts. Responding to these requirements, the Institute of Thermal Turbomachinery and Machinery Laboratory (ITSM) at the University of Stuttgart started a research project which aims to build and test a new control concept for radial turbines. The idea behind this concept is to replace the traditional spiral casing with a new casing. This casing consists of multiple channels which divided the rotor inlet circumferentially to many sectors. Each channel is connected to control valves. Opening and closing these valves will control the turbine inlet area and the operating mass flow by applying different partial admission configurations. The main advantage of this new concept is that it is based only on fixed geometry, and the control valves could be placed away upstream of the turbine. Therefore the turbine can operate under control in any application requiring higher temperature ranges and smaller turbine size. Among various radial turbine applications, turbocharger has been chosen to apply and test the new control concept. In turbocharger application, matching between the radial turbine and the Internal Combustion Engine (ICE) is a complicated balance of many design parameters. Therefore it requires a control mechanism to adjust the turbine mass flow for different ICE operating regimes and achieve an efficient operation. Thus, it was chosen for this task due to its sensitivity toward the control aspects. The first assignment of this study is to build a design tool in order to apply the new control concept by designing Multi-channel Casing (MC) for the radial turbine. This casing will replace the traditional spiral casing and provide a mass flow characteristic comparable to that of the original turbine design at acceptable operating efficiency. Moreover, this design tool will be tested experimentally for a selected case to ensure the design requirements. After achieving the design requirements, different partial admission configurations will be applied to control the turbine performance. The second assignment is to study the effect of the casing replacement on many radial turbine design aspects such as performance, blade excitation and aerodynamic damping at full and different partial admissions conditions. The thesis delivers a MC design model that is capable of replacing the spiral casing with an MC and ensuring comparable mass flow characteristics. It proves also that using the MC design can enhance the radial turbine operating efficiency by 1 up to 3 percent compared to the traditional spiral casing under some design considerations. The results illustrate also the effect of using the MC on the turbine performance and blade vibration during full and partial admission. They explain the reason behind the efficiency drop during the partial admission which is attributed mainly to the flow deviation due to the pressure difference between open and closed channels. They show also how selecting the channel count and building the excitation map for different admission configurations is crucial to avoid high blade vibration amplitude and High Cyclic Fatigue (HCF) during the turbine operation.Item Open Access Vorhersage strömungsinduzierter Turbinenschaufelschwingungen und Beeinflussung dieser durch Maßnahmen am Turbinengehäuse(2020) Netzhammer, Stephan; Vogt, Damian (Prof. Tekn. Dr.)Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich mit der Beeinflussung von aerodynamisch induzierten resonanten Turbinenschaufelschwingungen an der Radialturbine eines Abgasturboladers. Die Anregung der Schaufelschwingungen ist auf die Asymmetrie des turbineneintrittseitigen Strömungsfeldes zurückzuführen, welche im Fall der untersuchten leitgitterlosen doppelflutigen Spiralgeometrie hauptsächlich durch die Gehäusezungen verursacht wird. Kennzeichnend für die Anregung sind niedrige drehzahlsynchrone Erregerordnungen, welche im vorliegenden Falle durch Resonanzanregung der ersten Schaufelbiegemode zu hohen Schwingungsbelastungen führen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, unterschiedliche Maßnahmen zu erarbeiten, die zur Reduzierung der Schwingungsbelastung eingesetzt werden können. Hierfür wird in einem ersten Schritt eine Simulationsmethodik erarbeitet, welche das Anregungsfeld mit Hilfe instationärer Strömungsfeldberechnungen ermittelt. Das für die Schwingungsanregung benötigte modale Strukturverhalten wird mittels FE-Simulation bestimmt. Als Bewertungskriterium für die Intensität der Schwingungsanregung wird die als generalisierte Kraft bezeichnete Berechnungsgröße verwendet, welche nach einer Validierung mittels Messdaten als relatives Maß für die Schwingungsamplitude verwendet werden kann. Die Arbeit ist unterteilt in zwei thematische Schwerpunkte, wobei sich der erste Teil mit der Beeinflussung der Schaufelschwingungen durch die Gehäusegeometrie, insbesondere des sogenannten Zungenbereichs befasst. Hierbei kann gezeigt werden, dass durch den Versatz der beiden Gehäusezungen in Umfangsrichtung die Schaufelschwingungen effektiver reduziert werden können als durch die Vergrößerung des Zungenabstandes zum Rotor. Durch eine optimale Nutzung des Zungenversatzes von 30 kann die Schwingungsamplitude experimentell um 75% reduziert werden, was sich mit der Vorhersage der Berechnung deckt. Der Turbinenwirkungsgrad bleibt beim Vergleich mit dem Basisdesign auf gleichem Niveau. Im zweiten Themenschwerpunkt werden Turbinengehäusemaßnahmen untersucht, mit welchen das Strömungsfeld lokal verändert werden kann, um das Schaufelschwingungsverhalten zu reduzieren, ohne die eintrittsseitige Gehäusegeometrie zu verändern. Mehrheitlich werden hierbei aktive Zusatzmaßnahmen in Form einer Einblasdüse (?1,5mm) untersucht, welche am Turbinenaustritt einen Sekundärmassenstrom in den Laufschaufelbereich injiziert, der etwa 0,5% des Hauptpassagenstroms entspricht. Mit Hilfe dieses Konzeptes kann eine Schwingungsreduzierung um bis zu 70% erreicht werden wobei kein messbarer Einfluss auf den Wirkungsgrad festgestellt wird. Das Simulationsmodell kann hierbei für die Identifikation der besten Anordnung verwendet werden. Neben der Reduktion kann mittels aktiver Maßnahmen ebenfalls eine kontrollierte Erhöhung der Schwingungsamplituden erreicht werden, was für Untersuchungen der Betriebsfestigkeit eingesetzt werden kann. In einem letzten Schritt werden passive Zusatzmaßnahmen untersucht, welche in Form von Kavitäten in der Turbinengehäusewandung dargestellt sind. Experimentelle Untersuchungen von insgesamt 14 verschiedenen Maßnahmen zeigen ein Reduktionspotenzial von bis zu 50% bei einer zu vernachlässigenden Wirkungsgradreduktion von unter 0,3 %. Im Rahmen der Arbeit kann gezeigt werden, dass eine zuverlässige Berechnung von Schaufelschwingungen möglich ist. Durch die aufgezeigte Möglichkeit Schaufelschwingungen gezielt zu beeinflussen, entstehen neue Wege zur Optimierung von Turbomaschinen.