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Experimental investigation of an oscillating compressor cascade in the case of aerodynamic mistuning
Malzacher, Leonie
An experimental investigation has been carried out at an oscillating compressor cascade at the chair for Aero Engines of the Technische Universit at Berlin in Germany. The investigation focuses on the effect of aerodynamic mistuning on aeroelastic stability in a compressor cascade. Aerodynamic mistuning can occur due to manufacturing errors, blade mounting or repair and alters geometrical parameters of the flow passage. It influences the blade surface pressure distribution and can degrade the aeroelastic response of the system. In order to investigate the flutter behavior in the case of aerodynamic mistuning, the aerodynamic response of a mistuned oscillating compressor cascade has been studied. In the measurement section of the test facility, the blades are forced to oscillate sinusoidally in a pitching mode for a wide range of interblade phase angles at different reduced frequencies. The aerodynamic mistuning is introduced by a blade stagger-to-stagger angle variation. Four different mistuning patterns are investigated: one-blade mis-staggering, alternating mis-staggering, random mis-staggering and cases in which all blades in the cascade feature a constant stagger angle alteration.
The test facility is equipped with steady and unsteady measurement devices. Firstly, the base flow characteristic is presented for different Mach and Reynolds numbers. The aerodynamic response is acquired by means of unsteady blade surface pressure and strain gauge measurements. The results suggest that aerodynamic mistuning stabilizes or destabilizes the system depending on the nature of the mistuning pattern. For a positive change in stagger angle for the one-blade and alternating pattern, the damping characteristic is maintained for the system. That is, the same unstable interblade phase angle remains unstable compared to the baseline case. For the negative stagger angle variations, the aerodynamic damping turns negative for one interblade phase angle, indicating instability compared to the baseline case.
For large negative stagger angle variations of all blades of the cascade, the amplitude of the damping curve is especially affected and dictates the severity of these stability regions. In the past, most of the mistuning research was dedicated to structural blade-to-blade alteration e.g. changes in mass, stiffness and damping, influencing the eigenfrequencies. Thus, the present work contributes to extent the physical understanding of aerodynamic mistuning in a traveling wave test setup and characterizes the underlying mechanisms.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Auswirkung von aerodynamischer Verstimmung auf die aeroelastische Stabilität eines Verdichtergitters untersucht. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einem schwingenden Gitter am Fachgebiet Luftfahrtantriebe der Technischen Universität Berlin in Deutschland durchgeführt. Um die Veränderung der aeroelastischen Stabilität aufgrund der Verstimmung zu untersuchen, wurde die aerodynamische Antwort des schwingenden Gitters gemessen. Die Schaufeln können in der Messstrecke zwangsbewegt werden, verschiedene Phasendifferenzwinkel und reduzierte Frequenzen können untersucht werden. Die Verstimmung wurde mit einer Änderung des Staffelungswinkels realisiert. Vier verschiedene Verstimmungsmuster wurden untersucht, das erste ist eine Verstimmung der mittleren Schaufel der Kaskade, das zweite ein alternierendes Muster, das dritte ein zufälliges und das letzte Muster untersucht verschiedene Testfälle, in denen der Staffelungswinkel von allen Schaufeln manipuliert wurde. Zuerst wurde die Basisströmung für verschiedene Mach- und Reynoldszahlen untersucht. Die aerodynamische Antwort des schwingenden Gitters wurde mit instationären Drucksensoren und Dehnmessstreifen gemessen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Verstimmung stabilisierend oder destabilisierend auf das System wirken kann, abhängig vom Verstimmungsmuster. Für das erste und zweite Muster in Kombination mit einer positiven Änderung des Staffelungswinkels zeigt das System eine ähnliche Dämpfungscharakteristik im Vergleich zum Referenzfall d.h. das Vorzeichen der Dämpfung bleibt für die untersuchten Phasendifferenzwinkel erhalten. Eine negative Änderung des Staffelungswinkels für die gleichen Testfälle zeigt, dass das Vorzeichen der Dämpfung für einen untersuchten Phasendifferenzwinkel von einem stabilen zu einem instabilen Zustand wechselt. Der dritte Testfall zeigt kaum eine Auswirkung auf die aeroelastische Stabilität des Systems. Für große negative Änderungen des Staffelungswinkels von allen Schaufeln im Gitter, ändert sich die Amplitude der Dämpfungskurve und bestimmt die Schwere dieser Stabilitätsbereiche.
In der Vergangenheit konzentrierten sich die Forschungsvorhaben im Bereich Verstimmung auf die Manipulation von Masse, Steifigkeit und Dämpfung; Parameter, die die Eigenfrequenzen der Schaufeln ändern. Die vorliegende Arbeit soll zu einer Erweiterung des physikalischen Verständnisses einer aerodynamisch verstimmten Kaskade beitragen, charakterisiert die zugrundeliegenden Mechanismen und gibt einen Ausblick, wie die Ergebnisse in Verdichterentwürfen berücksichtigt werden können.
