In mehrstufigen Axialverdichtern für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen werden die Statoren entweder mit Deckband ausgeführt oder freistehend mit einem Radialspalt zur Rotornabe. Diese zwei üblichen konstruktiven Varianten zur Trennung von rotierenden und stehenden Bauteilen haben erheblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten und die Verluste im nabennahen Bereich der Statorpassage. In den hinteren Stufen von mehrstufigen Axialverdichtern kommt dieser Problematik eine große Bedeutung bei, da mit sinkender Kanalhöhe der Anteil der Randverluste am Gesamtverlust steigt. Weiterhin ist mit relativ großen Spaltweiten im Verhältnis zur Kanalhöhe zu rechnen. Die vorliegende Arbeit vergleicht die Strömung an Statoren mit und ohne Deckband auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen in einem vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter. Für beide Bauarten werden die Auswirkungen einer Variation der Spaltweite auf das Strömungsfeld mit stationären Drucksonden ermittelt und mit stationären CFD-Simulationen verglichen. Für Statoren mit Radialspalt zur Nabe wird eine verbesserte dreidimensionale Gestaltung vorgestellt und experimentell untersucht. Ziel der neuen Auslegung ist die Verringerung der Auswirkung der Spaltweitenvergrößerung auf Verluste, Minderumlenkung und Blockage. Die experimentelle Verifizierung der Neuauslegung wird von numerischen Simulationen zur detaillierten Analyse der Verbesserungen unterstützt.:Symbolverzeichnis Einleitung 1 Grundlagen der Strömung im Seitenwandbereich von Statoren / Stand des Wissens 1.1 Sekundärströmung an Statoren 1.2 Historische Entwicklung der Untersuchung von Statoren mit und ohne Deckband in Axialverdichtern 1.3 Reduzierung von Verlusten durch dreidimensionales Schaufeldesign 1.4 Zielstellung der aktuellen Untersuchung 2 Niedergeschwindigkeitsverdichter und Messtechnik 2.1 Allgemeiner Aufbau des Niedergeschwindigkeitsverdichters 2.2 Messtechnik am Niedergeschwindigkeitsverdichter 2.3 Auswertungsmethoden und Analyse der Messergebnisse 2.3.1 Normierung der Messwerte 2.3.2 Kennfeld 2.3.3 Strömungsfeldmessung an der Stufe 2.3.4 Druckverteilungen 2.3.5 Betrachtung der Messgenauigkeit 2.4 Experimentell untersuchteAufbauten 2.4.1 Referenz-Statoren ohne Deckband - Aufbau 16 2.4.2 Referenz-Statoren mit Deckband - Aufbau 17 2.4.3 Neuauslegung für Statoren mit großen Radialspalten - Aufbau 20 3 Numerische Untersuchungen 3.1 Numerisches Modell 3.2 Simulationsmodell 3.2.1 Vernetzung des Verdichters für den Referenzfall 3.2.2 Modellierung unterschiedlicher Radialspaltweiten 3.2.3 Modellierung der Deckbandkavität 3.2.4 Einfluss der Turbulenzmodellierung auf die Strömung an Statoren mit und ohne Deckband 3.2.5 Simulationen mit Non-Linear-Harmonic-Method 4 Statoren mit und ohne Deckband 4.1 Globales Betriebsverhalten des Verdichters für Referenzmessungen an Statoren mit und ohne Deckband 4.1.1 Drehzahllinie des Verdichters bei Radialspaltvariation über Stator 3 und 4 4.1.2 Drehzahllinie des Verdichters bei Deckbandspaltvariation im Stator 3 4.1.3 Globale Ergebnisse der CFD-Simulation für Statoren mit und ohne Deckband 4.2 Strömungsfeldmessungen für Statoren mit und ohne Deckband 4.2.1 Zuströmung zum dritten Stator 4.2.2 Vergleich der Strömung am dritten Stator mit und ohne Deckband 4.2.3 Auswirkung des Designs des dritten Stators auf Rotor 4 4.3 Bewertung der Ergebnisse für Statoren mit und ohne Deckband 5 Statoren ohne Deckband mit verringerter Sensitivität gegenüber großen Radialspaltweiten 5.1 Auslegung eines Stators ohne Deckband für große Radialspaltweiten 5.2 Globales Betriebsverhalten des Verdichters für neuausgelegte Statoren ohne Deckband 5.3 Strömungsfeldmessungen am neuausgelegten Stator mit großem Radialspalt 5.3.1 Zuströmung zum dritten Stator 5.3.2 Strömung am dritten Stator bei Radialspaltvariation 5.3.3 Auswirkung der Radialspaltvariation am dritten Stator auf Rotor 4 5.4 Bewertung der neuen Auslegung für Statoren mit großem Radialspalt 6 Zusammenfassung A Anhang A.1 Eigenschaften des CFD-Netzes A.2 CFD-Netze f¨ur Stator 3 mit Deckband A.3 Einfluss des Fillets am dritten Stator mit Deckband Literaturverzeichnis

This thesis has been a collaboration between the Royal Institute of Technology (KTH) and Siemens Energy which invest in the research facility at KTH. The objective was to investigate the use of eddy current sensors in real-time monitoring of turbine blades. The main focus has been on finding a use for blade tip clearance and a correlation for the insufficient sampling that eddy current sensors suffer from. At the same time, it was desirable to also investigate the use of the same sampled data for blade tip vibration. The research on eddy current sensors is important for their relative low price compared to other instruments and how resistance it is to contamination found in turbines, enabling real-time monitoring.  The testing has been conducted at the Energy Technology department which utilizes a scaled version of a full-sized turbine to investigate performance measurements. It is scaled to have the same stage loading for both blisks investigated. Two different blisks have been used for this project, one with thicher but fewer blades and one with thinner but more blades. On each blisk different types of sampling have been done in order to capture suitable data for both tip timing and tip vibration. This resulted in sampling with static RPM and sweeps over certain regions as well as full sweeps from design RPM to standstill.  A computer model was developed to evaluate the sampled data. In the model, the sample points were interpolated to compensate for the insufficient sampling, enabling tip gap measurements. Measurements and calibration were done on the blisks for the possibility of using a compensation curve in order to be able to compensate for the signal error. The results show that eddy current sensors and setup used here have a good capability of capturing the tip clearance with precision in the range of hundreds of millimeter on the blisk with thicker blades and up to a certain rotational speed on the blisk with thinner blades. In regards to the tip vibration, eddy current system had problems capturing the time of arrival with sufficient precision correctly. / Den här uppsatsen har varit ett sammarbete mellan Kunglig Tekniska Högskolan (KTH) och Simens Energy vilka investerar i forskningen som bedrivs på KTH. Målet var att undersöka användningen av eddy current sensors för övervakning av turbinbliskar. Huvudfokus har varit att hitta användning av sensorerna för topspelsmätningar och ta fram en korregering av den otillräckliga insamlingen av data som eddy current sensorer lider av. Samtidigt var det önskvärt att samtidigt undersöka samma insamlade data för att utvärdera bladvibrationer. Forskning på eddy current sensorer är viktig för dess relativt låga pris jämfört med andra alternativ samt att de dess höga motståndskraft mot smuts som ofta finns i miljöer där turbiner används. Testerna har gjorts på instutitionen för Energiteknik vilka använder en nedskalad versioner av den verkliga storleken på turbinen för att utföra mätningar på. Två olika bliskar har använts för detta projekt, en med grövre men färre blad samt en med tunnare och fler blad. Stegbelastningen är dock samma för båda. På båda bladen har olika typer mätningar gjorts för att kunna fånga passade data för båda topspelsmätningar och bladvibrationer. Detta gav data med statiskt varvtal, långsamma svepningar över specialla regioner och svepningar över från designvarvtal ner till stillastående. En datormodell har utvecklats för utvärdera insamlade data. I modellen sker en interpolering som kompenserar för de låga antalet samplade punkter på bladet. Mätnigar och kalibreringar är gjorda på bliskarna för att skapa en kompenseringskurva åt signalfel i utdatan. Resultatet visar att eddy current systemet har goda möjligheter att visa rätt toppspel med god precition för blisken med tjocka blad och upp till ett visst varvtal på den med tunnare blad. När det kommer till bladvibrationer hade sensorerna och datormodellen svårt att fånga rätt ankomst tid för bladet med tillräckligt hög precision.