Die Kolbenstangeninnenkühlung (KSIK) ist eine Kühltechnologie für Kreuzkopfverdichter, die in verschiedenen Experimenten gezeigt hat, dass sie ein beträchtliches Potenzial zur Wärmeabfuhr aus den thermisch beanspruchten Komponenten im Zylinder- und Packungsbereich besitzt. Dass sie in der Praxis noch nicht zum Einsatz kommt, liegt unter anderem daran, dass ihre Wirkungsweise und insbesondere die thermo- und fluiddynamischen Vorgänge des zweiphasigen Kühlfluids im Stangeninneren nicht ausreichend erforscht sind, um die Wärmeabfuhr für verschiedene Verdichter und Förderaufgaben zu quantifizieren. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, einen Teil dieser Wissenslücke für Kreuzkopfverdichter mit vertikaler Ausrichtung der Kolbenstange zu schließen. Um die relevante Wissensbasis zu Kreuzkopfverdichtern zu vermitteln, werden einleitend ihr Aufbau, ihre Funktionsweise und die Thematik ihrer Kühlung behandelt. Dabei wird unter anderem gezeigt, wie sich die Wärmeabfuhr auf die Energieeffizienz und die auftretenden Maximaltemperaturen auswirkt und welche Wärmemengen durch Reibung an den Dichtungselementen entstehen. Anhand einer exemplarischen Betrachtung von Verdichtern unterschiedlicher Druckniveaus und Förderströme wird deutlich, dass die KSIK vor allem bei niedrigen Drücken und für die Abfuhr der Reibleistungen effektiv eingesetzt werden kann. Die Größe bzw. Leistungsklasse erweist sich dabei nicht als limitierender Faktor. Anschließend erfolgt die Darstellung konventioneller Kühlverfahren sowie die ausführliche Vorstellung der KSIK mit den Themenschwerpunkten: Funktionsweise, Einflussgrößen, Stand der Technik und Einsatzgrenzen. Um die Wärmeabfuhr zu quantifizieren, die mit einer innengekühlten Kolbenstange eines stehenden Kreuzkopfverdichters erreicht wird, werden Messungen an einem Versuchsstand mit einer vertikal-oszillierenden Hohlstange vorgestellt. Insbesondere die Wahl des Kühlfluids sowie der eingefüllte Flüssigvolumenanteil beeinflussen den Wärmetransport, sind aber für den Fall der KSIK bislang nicht untersucht worden. Daher erfolgt zunächst eine Vorauswahl der vier bestgeeigneten Fluide anhand ihrer thermodynamischen Eignung für das Einsatzgebiet der Kreuzkopfverdichter. Bei den Messungen zeigt sich Wasser, insbesondere als Reinstoff-Füllung, aber auch als Gemisch mit Luft, als deutlich bestes Kühlfluid. Mit einer Dampf-Wasser-Füllung kann erwartungsgemäß eine bessere Wärmeabfuhr erzielt werden als mit einer Luft-Wasser-Füllung. Hinsichtlich des optimalen Flüssigvolumenanteils zeigte sich in den Messergebnissen mit Dampf-Wasser-Füllung eine optimale Wärmeabfuhr im Bereich zwischen 30 Vol.-%fl und 70 Vol.-%fl. In dieser relativ großen Spanne treten lediglich geringe Unterschiede hinsichtlich des Wärmetransports auf. Für die untersuchte Versuchsstandkonfiguration und im untersuchen Drehzahlbereich (300 min−1 bis 600 min−1) liegen die zugehörigen axialen Wärmestromdichten zwischen ca. 40 W cm−2 und 80 W cm−2 und die Wärmewiderstände zwischen ca. 0,27 K W−1 und 0,37 K W−1. Für eine Luft-Wasser-Füllung stellt sich ein etwas ausgeprägteres Optimum der Wärmeabfuhr bei 25 Vol.-%fl ein, für das sich axiale Wärmestromdichten zwischen ca. 33 W cm−2 und 38 W cm−2 und Wärmewiderstände zwischen ca. 0,7 K W−1 und 1,3 K W−1 ergeben. Da der fluidgebundene Wärmetransport im Innenvolumen der KSIK maßgeblich von der Strömung des zweiphasigen Kühlfluids abhängig ist, schließen sich an die Analyse der Wärmeabfuhr optische Messungen des Strömungsverhaltens einer Dampf-Wasser- sowie einer Luft-Wasser-Füllung mittels Hochgeschwindigkeitskamera an. Hierfür wurde eine optisch zugängliche Hohlstange mit nahezu gleichen Abmessungen, gleicher oszillierender Bewegung, aber ohne Wärmezu- und -abfuhr an den Stangenenden verwendet. Den Aufnahmen der Luft-Wasser-Füllungen ist zu entnehmen, dass sich die Strömung für alle untersuchten Drehzahlen und Flüssigvolumenanteile durch eine gemeinsame Struktur auszeichnet. Hierbei tritt die flüssige Phase stets in zwei hauptsächlichen Erscheinungsformen auf: Zum einen ein Teil am unteren Stangenende, der in der vorliegenden Arbeit als Sumpf bezeichnet wird. Und zum anderen ein zweiter Teil, der durch die oszillierende Stangenbewegung den Sumpf verlässt und sich als Wandfilm im Innenvolumen zunächst nach oben bewegt und nach Erreichen einer maximalen Höhe wieder nach unten zurückfließt. Dieser Teil erhält daher die Bezeichnung Film. Die Bewegung der Luft im Stangeninneren ergibt sich im Wesentlichen durch die Verdrängung der Flüssigkeit. Die Strömung von Sumpf und Film kann auf der Basis vereinfachender geometrischer Annahmen mithilfe von drei zeitabhängigen, charakteristischen Strömungsparametern beschrieben werden: Der Sumpfhöhe, der Filmhöhe sowie der Filmdicke. Diese wurden für verschiedene Füllmengen zwischen 10 Vol.-%fl und 40 Vol.-%fl und im Drehzahlbereich zwischen 300 min−1 und 600 min−1 quantifiziert. Es zeigt sich, dass das Wärmetransportverhalten und die Strömung einer Luft-Wasser-Füllung eng gekoppelt sind und sich die Ergebnisse der optischen Untersuchung bei der Interpretation des thermodynamischen Verhaltens als hilfreich erweisen. Beispielsweise offenbaren sie die Gründe für den optimalen Flüssigvolumenanteil von 25 Vol.-%fl. Darüber hinaus wurde auch die Strömung verschiedener Dampf-Wasser-Füllungen untersucht, die in einigen wesentlichen Aspekten von den Ergebnissen mit Luft-Wasser-Füllung abweicht. Der wichtigste Unterschied zeigt sich in der Möglichkeit des Phasenwechsels zwischen flüssiger und gasförmiger Phase und vice versa, was bei einem Luft-Wasser-Gemisch in keiner Messung festgestellt werden konnte. Neben einer mutmaßlichen Verbesserung der Wärmeübergangskoeffizienten resultiert hieraus auch eine bessere Durchströmung des Innenvolumens sowie eine bessere Durchmischung der gasförmigen und flüssigen Phase, sodass nachvollziehbar wird, warum ein Dampf-Wasser-Gemisch eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht als mit Luft als zusätzlicher Komponente. Um die Berechnung der Strömung von Luft-Wasser-Füllungen in einer vertikal-oszillierenden Hohlstange für beliebige Konfigurationen zu ermöglichen, wurde ein Strömungsmodell entwickelt, mit dem die zeitlich abhängige Verteilung der flüssigen und gasförmigen Phase berechnet werden kann. Dabei sind u. a. die Drehzahl, der Flüssigvolumenanteil sowie der Innendurchmesser und die Länge der Hohlstange frei wählbar. Zur Beschreibung der Verteilung der flüssigen Phase wird die in den optischen Untersuchungen festgestellte Aufteilung in Sumpf- und Filmanteile für das Berechnungsmodell übernommen. Die Grundlage für die Berechnung der Strömung mittels Zeitschrittverfahrens stellt die Bewegungsgleichung für die Flüssigkeit in vertikaler Richtung unter Berücksichtigung verschiedener Beschleunigungsanteile dar, die die Filmbewegung hervorrufen. Die restlichen charakteristischen Strömungsparameter ergeben sich durch die Inkompressibilität der flüssigen Phase und durch die empirische Vorgabe der Filmdicke, sodass dadurch auch die zeitlich abhängige Verteilung des Sumpfs und der gasförmigen Phase ermittelt werden kann. Der Vergleich der Berechnungs- und Messergebnisse für die charakteristischen Strömungsparameter zeigt eine in den meisten Fällen zufriedenstellende Übereinstimmung und bestätigt die Herangehensweise und das Berechnungskonzept des Strömungsmodells.:1 Einleitung 2 Grundlagen der Kreuzkopfverdichter 3 Experimentelle Untersuchungen der Wärmeabfuhr 4 Experimentelle Untersuchungen der Strömung 5 Berechnungsmodell für die Strömung mit Luft-Wasser-Füllung 6 Zusammenfassung A Anhang

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<p>Compressed  air  is  a  powerful  source  of  stored  energy  and  is  used  in  a  variety  of  applications varying from painting to pressing, making it a versatile tool for manufacturers.  Due to the high cost and energy consumption associated with producing compressed air and it’s use within industrial manufacturing, it is often referred to as a fourth utility behind electricity, natural gas, and water.  This is the reason why air compressors and associated equipment are often the focus for improvements in the eyes of manufacturing plant managers.</p> <p><br></p> <p>As compressed air can be used in multiple ways, the methods used to extract and transfer the energy from this source vary as well.  Compressed air can flow through different types of piping, such as aluminum, Polyvinyl Chloride (PVC), rubber, etc.  with varying hydraulic diameters, and through different fittings such as 90-degree elbows, T-junctions, valves, etc.which can cause one of the major concerns related to managing the energy consumption of an air compressor, and that is the waste of air through leaks.</p> <p>Air leaks make up a considerable portion of the energy that is wasted in a compressed air system,  as they cause a multitude of problems that the compressor will have to makeup  for  to  maintain  the  steady  operation  of  the  pneumatic  devices  on  the  manufacturing floor that rely on compressed air for their application.  When air leaks are formed within the compressed air piping network,  they act as continuous consumers and cause not only the siphoning off of said compressed air, put also reduce the pressure that is needed within the  pipes.   The  air  compressors  will  have  to  work  harder  to  compensate  for  the  losses  in the pressure and the amount of air itself, causing an over consumption of energy and power.Overworking the air compressor also causes the internal equipment to be stretched beyond its capabilities, especially if they are already running at full loads, reducing their total lifespans considerably.  In addition, if there are multiple leaks close to the pneumatic devices on the manufacturing floor, the immediate loss in pressure and air can cause the devices to operate inefficiently and thus cause a reduction in production.  This will all cumulatively impact the manufacturer considerably when it comes to energy consumption and profits.</p> <p>There are multiple methods of air leak detection and accounting that currently exist so as  to  understand  their  impact  on  the  compressed  air  systems.   The  methods  are  usually conducted when the air compressors are running but during the time when there is no, orminimal, active consumption of the air by the pneumatic devices on the manufacturing floor.This time period is usually called non-production hours and generally occur during breaksor  between  employee  shift  changes.   This  time  is  specifically  chosen  so  that  the  only  air consumption within the piping is that of the leaks and thus, the majority of the energy and power consumed during this time is noted to be used to feed the air leaks.  The collected data is then used to extrapolate and calculate the energy and power consumed by these leaks for the rest of the year.  There are, however, a few problems that arise when using such a method to understand the effects of the leaks in the system throughout the year.  One of the issues is that it is assumed that the air and pressure lost through the found leaks areconstant even during the production hours i.e.  the hours that there is active air consumptionby the pneumatic devices on the floor, which may not be the case due to the increased airflow rates and varying pressure within the line which can cause an increase in the amount of air lost through the same orifices that was initially detected.  Another challenge that arises with using only the data collected during a single non-production time period is that theremay be additional air leaks that may be created later on,  and the energy and power lostdue to the newer air leaks would remain unaccounted for.  As the initial estimates will not include the additional losses, the effects of the air leaks may be underestimated by the plant managers.  To combat said issues, a continuous method of air leak analyses will be required so as to monitor the air compressors’ efficiency in relation to the air leaks in real time.</p> <p>By studying a model that includes both the production, and non-production hours when accounting  for  the  leaks,  it  was  observed  that  there  was  a  50.33%  increase  in  the  energy losses, and a 82.90% increase in the demand losses that were estimated when the effects ofthe air leaks were observed continuously and in real time.  A real time monitoring system canprovide an in-depth understanding of the compressed air system and its efficiency.  Managing leaks within a compressed air system can be challenging especially when the amount of energy wasted through these leaks are unaccounted for.  The main goal of this research was to finda non intrusive way to calculate the amount of air as well as energy lost due to these leaks using time series pressure measurements.  Previous studies have shown a strong relationship between the pressure difference, and the use of air within pneumatic lines, this correlationalong with other factors has been exploited in this research to find a novel and viable methodof leak accounting to develop a Continuous Air Leak Monitoring (CALM) system.</p> <p><br></p>

The present thesis discusses the forced response of a rotor’s bladed-disk when excited by the periodic force produced by a wake generator, or Inlet Guide Vane (IGV),with 8 equally-spaced blades. These components are part of an axial transonic compressor rig, moreover the Transonic Compressor Darmstadt 1 (TCD1), located at the Technical University of Darmstadt. The investigation is within the ARIAS (Advanced Research Into Aeromechanical Solutions) project, that aims to improve the predictive capabilities of the design methods used in the aircraft propulsion engine’s industry to study aerodynamically induced blade vibrations. The methodology comprised a set of numerical analyses that were conducted using the software Ansys, addressing both the structural and the aerodynamics sides of the aeroelastic problem, in a co-dependent way. At first, steady-state CFD simulations were conducted to study the mesh convergence and to analyse the operation of the compressor at N80 speed, obtaining its compressor map and its peak efficiency operation point. From these, the aerodynamic static force being applied on theblade was obtained, allowing to determine the pre-stresses of the bladed-disk, orblisk. With a modal analysis, the natural modes of the rotor blisk at N80 speed were obtained and the resonance crossing M2 EO8 was identified, plotting the Campbell and ZZENF diagrams. From the modal displacements of the critical mode, a blade flutter analysis was conducted in order to compute the aerodynamic damping ratio of the rotor blisk. With a transient CFD analysis, the periodic forcing being applied onthe rotor blisk that arises from the IGV wake pattern was determined and exported as Fourier coefficients. Finally, a harmonic simulation was carried out to analyse the forced response of the blisk, introducing both the aerodynamic damping value and the unsteady forcing mapped onto the blade. As a result, the frequency response of both the blade maximum alternating deflections and equivalent stresses was obtained, as well as the respective spatial contour plots at the obtained resonance frequency. Some of the results of the conducted analyses were investigated in order to analyse the aerodynamic phenomena occurring, where it was possible to identify vortex shedding, leading shock, tip-clearance and horse-shoe vortex.  Afterwards, the numerical results were compared to the experimental data optained from rig tests conducted at the TCD1 by partners of the ARIAS projects. The numerical model management to predict well the compressor map, thus the steady-state of the flow, as well as the resonance frequency. The aerodynamic damping value was over- predicted when compared to the entire data set. When it came to the harmonic analysis results, the numerical model under-predicted by one order of magnitude the maximum deflection, and the equivalent stress is, as well, far below the experimental results. These results led to conclude that the model is under-predicting the aerodynamix unsteady forcing that results from the wake pattern generated by the IGV and excites the rotor blades.

The Two-Element In Series (TEIS) and Two-Zone models have been used successfully for over twenty years to model test data for radial flow compressors and pumps. The models can also be used to predict the performance of new machines provided that the model inputs can be accurately specified. Unfortunately, use of the TEIS and Two-Zone models as a predictive tool has been limited because an accurate and broadly applicable method of predicting the modeling parameters, etaA, etaB, chi and d2p does not exist. Empirical models have been developed to predict the TEIS and Two-Zone modeling parameters based on a large database of centrifugal pump and compressor test results. These test data were provided by ConceptsNREC and have been collected over the past 40 years. The database consists of a wide range of machines including some that were designed and tested by ConceptsNREC and others from the open literature. Only cases with a vaneless diffuser or volute have been included in the analysis to avoid any possible impeller-diffuser interactions. From the database, models for all of the TEIS and Two-Zone parameters have been derived using basic regression techniques. Three different models are proposed for each of the two TEIS modeling parameters, etaA and etaB. One model for pumps, another for compressors, and a combined model applicable for all machines is given. For the Two-zone parameters, chi and d2p, a single set of models was developed to represent the design point performance and another showing how chi and d2p vary off-design. The combined models for etaA and EtaB are 30% and 70% more accurate than the current state-of-the-art models, respectively. The new models account for the variance in chi and d2p at off-design flow conditions and further refine the accuracy of the overall prediction by correctly modeling the loss mechanisms in the impeller passage. Validation work has shown that the set of models that predict etaA, etaB, chi and d2p can be solved to consistently produce sensible results and yield a reasonable "blind" prediction of the performance of a wide range of radial compressors and pumps. These models constitute the first broadly applicable method for predicting the required TEIS and Two-Zone variables and are sufficiently accurate to provide initial performance estimates of new impeller designs

The tip leakage vortex is responsible for the generation of stagnation pressure losses inside the compressor along with the outbreak of rotating stall and surge. The current paper analytically proved that a part of the losses is proportional to the vortex circulation squared. The evolution of this circulation has been investigated as part of a parametric study which tested several clearance heights. The work consists in adopting a simplified single blade configuration to study the physics of the flow by means of wind tunnel experiments and numerical calculations. Upon visualising the main features of the flow, a model based on the study of jet in crossflows was implemented to describe the tip clearance flow for small gap sizes. For big gaps, the flow is assumed to behave as an isolated wing tip vortex which circulation is easily computed by the so called lifting line theory. The main vortical structures highlighted by the topology of the flow justified the use of the model of a jet in crossflow for small gap sizes. This model was challenged by experimental and numerical data and proved to well predict the evolution of the clearance vortex circulation for an increasing clearance height although some numerical results remain further away from the model. / Gapvirveln är ansvarig för lufttryckförluster i motorn av ett flygplan och kan orsaka utbrottet av kompressorstall och pumpning. Artikeln bevisade matematiskt att en del av de här förlusterna är proportionell mot gapvirvelncirkulationen upphöjd. Utvecklingen av den där cirkulationen undersöktes med hjälp av en parametrisk studie som provkörde flera gapstorlekar. Arbetet bestå av att adoptera en förenklad enda blad konfiguration för att studera flödes fysik med vindtunnel experiment och flödesberäkningar. Efter att man analyserar flödes viktigaste egenskaper genomfördes en modell baserad på studien av en jet i ett korsflöde. Den här modellen används för att beskriva flödet för små gapstorlekar. För stora gap antar man att flödet beter sig som en vingspetsvirvel som cirkulationen kan beräknas utan svårighet med hjälp av lyftledningsteorin. Flödes topologi visualiserades tack vare numeriska beräkningar och legitimerade användningen av modellen av en jet i ett korsflöde för små gapstorlekar. Teoretiska, experimentella och numeriska resultat jämfördes och bevisade att modellen väl förutsäger utvecklingen av gapvirvelncirkulationen mot gapstorlek även om några numeriska resultat är långt från modellen.

Aeromechanics is one of the main limitations for more efficient, lighter, cheaper and reliable turbomachines, such as steam or gas turbines, as well as compressors and fans. In fact, aircraft engines designed in the last few years feature more slender, thinner and more highly loaded blades, but this trend gives rise to increased sensitivity for vibrations induced by the fluid and result in increasing challenges regarding structural integrity of the engine. Forced vibration as well as flutter failures need to be carefully avoided and an important parameter predicting instabilities in both cases is the aerodynamic damping. The aim of the present project is to numerically investigate aerodynamic damping in the first rotor of a transonic compressor (VINK6). The transonic flow field leads to a bow shock at each blade leading edge, which propagates to the suction side of the adjacent blade. This, along with the fact that the rotating blade row vibrates in different mode shapes and this induces unsteady pressure fluctuations, suggests to evaluate unsteady flow field solutions for different cases. In particular, the work focuses on the unsteady aerodynamic damping prediction for the first six mode shapes. The aerodynamic coupling between the blades of this rotor is estimated by employing a transient blade row model set in blade flutter case. The commercial CFD code used for these investigations is ANSYS CFX. Aerodynamic damping is evaluated on the basis of the Energy Method, which allows to calculate the logarithmic decrement employed as a stability parameter in this study. The least logarithmic decrement values for each mode shape are better investigated by finding the unsteady pressure distribution at different span locations, indication of the generalized force of the blade surface and the local work distribution, useful to get insights into the coupling between displacements and consequent generated unsteady pressure. Two different transient methods (Time Integration and Harmonic Balance) are employed showing the same trend of the quantities under consideration with similar computational effort. The first mode is the only one with a flutter risk, while the higher modes feature higher reduced frequencies, out from the critical range found in literature. Unsteady pressure for all the modes is quite comparable at higher span locations, where the largest displacements are prescribed, while at mid-span less comparable values are found due to different amplitude and direction of the mode shape. SST turbulence model is analyzed, which does not influence in significant manner the predictions in this case, with respect to the k-epsilon model employed for the whole work. Unsteady pressure predictions based on the Fourier transformation are validated with MATLAB codes making use of Fast Fourier Transform in order to ensure the goodness of CFX computations. Convergence level and discrepancy in aerodamping values are stated for each result and this allows to estimate the computational effort for every simulation and the permanent presence of numerical propagation errors. / Aeromekanik är en av huvudbegränsningarna för mer effektiva, lättare, billigare och mer pålitliga turbomaskiner, som ångturbiner, gasturbiner, samt kompressorer och fläktar. I själva verket har flygplansmotorer som designats under de senaste åren har fått tunnare och mer belastade skovlar, men denna trend ger upphov till ökad känslighet för aeromekaniska vibrationer och resulterar i ökande utmaningar när det gäller motorns strukturella integritet. Aerodynamiskt påtvingade vibrationer såväl som fladder måste predikteras noggrant för att kunna undvikas och en viktig parameter som förutsäger instabilitet i båda fallen är den aerodynamiska dämpningen. Syftet med det aktuella projektet är att numeriskt undersöka aerodynamisk dämpning i den första rotorn hos en transonisk kompressor (VINK6). Det transoniska flödesfältet leder till en bågformad stötvåg vid bladets främre kant, som sprider sig till sugsidan på det intilliggande bladet. I och med detta, tillsammans med det faktum att den roterande bladraden vibrerar i olika modformer och detta inducerar instationära tryckfluktuationer, syftar detta arbete på att utvärdera flödesfältslösningar för olika fal. I synnerhet fokuserar arbetet på prediktering av den instationära aerodynamiska dämpningen för de första sex modformen. Den aerodynamiska kopplingen mellan bladen hos denna rotor uppskattas genom att använda en transient bladradmodell uppsatt för fladderberäkningen. Den kommersiella CFD-koden som används för denna utredning är ANSYS CFX. Aerodynamisk dämpning utvärderas med hjälp av energimetoden, som gör det möjligt att beräkna den logaritmiska minskningen som används som en stabilitetsparameter i denna studie. De minsta logaritmiska dekrementvärdena för varje modform undersöks bättre genom att hitta den ostadiga tryckfördelningen på olika spannpositioner, som är en indikering av den lokala arbetsfördelningen, användbar för att få insikt i kopplingen mellan förskjutningar och därmed genererat ostabilt tryck. Två olika transienta metoder används som visar samma trend för de kvantiteter som beaktas med liknande beräkningsinsatser. Den första modformen är den enda med en fladderrisk, medan de högre modformerna har högre reducerade frekvenser, och ligger utanför det kritiska intervallet som finns i litteraturen. Instationärt tryck för alla moder är ganska jämförbart på de högre spannpositioner, där de största förskjutningarna föreskrivs, medan runt midspannet finns mindre jämförbara värden på grund av olika amplitud och riktning för modformen. SSTturbulensmodellen analyseras, som i detta fall inte påverkar predikteringen på ett betydande sätt. Det predikterade instationära trycket baserad på Fourier-transformationen valideras med MATLAB-koder som använder sig av Fast Fourier Transform för att säkerställa noggrannheten hos CFX-beräkningar. Konvergensnivå och skillnader i aerodämpningsvärden anges för varje resultat och detta gör det möjligt att uppskatta beräkningsinsatsen för varje simulering och uppskatta utbredningen av det numeriska felet.