Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, STI - Section de génie mécanique STI-SGM (Laboratoire de thermique appliquée et de turbomachines LTT)

Experimental investigation of a vibrating axial turbine cascade in presence of upstream generated aerodynamic gusts

Rottmeier, Fabrice ; Bölcs, Albin (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2758.

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    Summary
    An experimental investigation has been conducted in the non-rotating annular test facility of the "Laboratoire de Thermique Appliquée et de Turbomachines" (LTT), "École Polytechnique Fédérale de Lausanne" (EPFL). During this investigation, the unsteady aerodynamic response of a turbine cascade was investigated for three different cases: (1) the clamped blades subjected to periodic, upstream generated aerodynamic gusts, (2) the cascade forced to vibrate in the travelling wave mode in a uniform flow, and (3) the cascade forced to vibrate in the presence of the upstream generated aerodynamic gusts, with a common excitation frequency and a constant gust-vibration phasing. These measurements were aimed at identifying important aspects of the unsteady aeroelastic behavior of the blades. Particular attention was focused on the relationship between the time-dependent flows of (1) and (2) and that of (3) in an effort to better understand aerodynamic forced response phenomena in turbomachinery The experimental tasks detailed above have been performed in a non-rotating annular test facility using a test rig composed of rotating wake generators and a fixed turbine cascade. There are two rotating wake generators: one possesses 13 elliptical struts and the other has 22. Each one is designed to generate wake profiles similar to a blade row. The turbine cascade consist of 20 blades attached to separate torsion suspension system, with a magnetic excitation feature, allowing the control of the cascade's vibration mode. Several blades are instrumented to measure the resulting surface steady pressures, unsteady pressures and blade vibration mode The specific objectives of this investigation were: measure the unsteady aerodynamic blade response to: (1) imposed cascade vibration modes (travelling wave mode), (2) upstream generated aerodynamic gusts, and (3) combinations of these two effects. using the above experimental results, address the local validity of the assumptions inherent in linearized treatments of the forced response problem. Specifically, can the local unsteady blade loading be considered as a linear superposition of the unsteady forces derived individually from the cascade's vibration mode and from the aerodynamic gusts? The final conclusions of this work were: the simultaneous measurements have demonstrated the important influence of the gust-vibration phase angle Φ on the blade surface time-dependent pressure distribution and has identified it as the key parameter. For a given test configuration and flow condition, the selection of the gust-vibration phase angle allows a local constructive or destructive interaction between the main harmonics of both excitation sources. Generally, this suggest that the gust-vibration phase angle has an important effect on the excitation levels and excited modes of the cascade. The practical implication of this phenomenon is that the judicious choice of a gust-vibration phase angle can diminish significantly the aerodynamic excitation levels for a given cascade vibration mode, flow condition and test configuration of a single stage. It is even possible that certain periodic variations of this phase angle produces another excitation source in turbomachinery. the simultaneous vibrating cascade and upstream generated aerodynamic gusts excitations can be accurately predicted by the linear superposition of the individual gust-induced and vibration-induced unsteady flow fields. This principle was shown to be applicable locally for various test configurations, including different engine orders, inter-blade phase angles, gust-vibration phase angles, and flow conditions. The only significant discrepancies were observed in the presence of shocks, but these were limited to a localized region reducing their importance in terms of the overall unsteady aerodynamic loading of the blade. It has been shown that these discrepancies were mainly due to the variation of the shock's mean location between gust-response only, controlled-vibration only and simultaneous measurements. The main practical advantage of this linear superposition principle is that the numerical and experimental investigation of the aerodynamic forced response problem can be separated into: (1) the identification of the local forcing-function due to upstream generated gusts only, (2) a local aerodynamic stability analysis of the cascade alone. The simultaneous measurements have shown that measurement errors vary significantly as the local pressure disturbance contributions due to the gusts and the cascade's vibration mode interact constructively or destructively. Particular attention is needed in simultaneous measurements in order to separate measurement error effects and physical phenomena.
    Zusammenfassung
    Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer experimentellen Untersuchung im Ringgitterprüfstand (RGP 400 SE) des "Laboratoire de Thermique Appliquée et de Turbomachines" (LTT) der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Ziel der Studie ist die Untersuchung der instationären aerodynamischen Antwort eines Turbinengitters für drei unterschiedliche Konfigurationen: (1) fixierte Schaufeln, die einer stromaufwärts erzeugten aerodynamischen Störung ausgesetzt werden, (2) das Schaufelgitter wird bei ungestörter Strömung zu einer periodischen Schwingung zwangsbewegt (3) und das Schaufelgitter wird zu einer periodischen Schwingung bei gleichzeitiger Präsenz einer stromaufwärts erzeugten aerodynamischen Störung gleicher Frequenz zwangsbewegt, wobei die Phasenlage Störung - Schwingung konstant gehalten wird. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung des instationären aeroelastischen Verhaltens des Gitters mit seinen Schaufeln. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde insbesondere der Zusammenhang zwischen der zeitabhängigen Strömung der Konfigurationen (1) und (2) und deren Kombination (3) untersucht. Die oben angeführte Untersuchung wurde in einem nichtrotierenden Ringgitterprüfstand, bestehend aus einem rotierenden Nachlaufgenerator und dem eigentlichen stehenden Turbinengitter, durchgeführt. Es kamen zwei unterschiedliche Nachlaufgeneratoren mit 13 und 22 elliptischen Streben, die jeweils einen für eine Schaufelreihe repräsentativen Nachlauf erzeugen, zum Einsatz. Das Turbinegitter besteht aus zwanzig einzeln gelagerten Schaufeln, die mittels eines magnetischen Anregungsmechanismuses in kontrollierte Schwingungen versetzt werden können. Um detaillierte Informationen über die Zusammenwirkung der oben beschriebenen Effekte zu erhalten, wurden die Turbinenschaufeln teilweise mit statischen Druckbohrungen, instationären Druckaufnehmern und mit Beschleunigungsaufnehmern zur Bestimmung der Schwingungsform instrumentiert. Die spezielle Zielsetzung für die Untersuchung war: Messung der instationären Schaufelantwort bei (1) stromaufwärts erzeugten aerodynamischen Störungen, (2) zwangserregten Schaufelschwingungen, und (3) der Kombination dieser beiden Effekte. Beantwortung der Frage, ob die getroffenen Annahmen bei einer linerarisierten Behandlung des Zwangserregungsproblems Gültigkeit haben. Hierbei wird insbesondere die Annahme, ob die Gesamtantwort der Zwangsanregung (3) durch eine linearisierte Überlagerung der individuellen instationären Belastung durch Schaufelschwingung (2) und aerodynamischer Störung (1), betrachtet. Die Schlussfolgerungen dieser Arbeit sind insbesondere: Die simultanen Messungen zeigen den außerordentlichen Einfluß des Phasenwinkels zwischen aerodynamischer Störung und Schwingung auf die zeitabhängige Druckverteilung an der Schaufeloberfläche, und haben diesen Winkel als Hauptparameter zur Beschreibung dieses Problems identifiziert. Die Wahl dieses Phasenwinkels erlaubt für eine gegebene Strömungsbedingung und Testkonfiguration lokal ein additives oder subtraktives Zusammenwirken zwischen den 1. Harmonischen beider Erregerquellen. Im allgemeinen heißt das, dass der Phasenwinkel Störung - Schwingung entscheidenden Einfluß auf den Anregungsgrad und -moden des Gitters hat. Die praktische Folge dieses Phänomens ist, dass durch eine geeignete Wahl dieses Phasenwinkels der aerodynamische Anregungsgrad für gegebene Gitterschwingungsform, Strömungs- und Testbedingungen signifikant abgesenkt werden kann. Es wäre somit auch vorstellbar, dass bestimmte periodische Variationen dieses Phasenwinkels als neue Anregungsquelle in Turbomaschinen wirken könnten. Durch lineare Superposition des störungsinduzierten und des schwingungsinduzierten instationären Strömungsfeldes lässt sich das Strömungsfeld unter Einfluß beider Effekte genau vorhersagen. Dieses Prinzip der linearen Überlagerung wurde auf unterschiedliche Testfälle mit variierender Anregungsordnung, unterschiedlichen Phasendifferenzwinkeln zwischen den Schaufeln, unterschiedlichen Phasenlagen von aerodynamischer Störung zu Schaufelschwingung und für verschiedene Strömungsbedingungen erfolgreich bestätigt. Eine Einschränkung für die generelle Anwendbarkeit der linearen Superposition betrifft die Überlagerung im Bereich von Verdichtungsstößen. Da hier aber nur die lokale Übereinstimmung der Ergebnisse betroffen ist, die hauptsächlich durch eine unterschiedliche mittlere Stosslage zwischen den Messungen mit aerodynamischer Störung (1), periodischer Schwingung (2) und, Überlagerung von (1) und (2) hervorgerufen wird, kann deren Bedeutung für die globale aerodynamische Last vernachlässigt werden. Das Verfahren der linearen Superposition vereinfacht somit die Behandlung des Problems der aerodynamischen Zwangserregung für den numerischen und experimentellen Bereich durch die Aufspaltung in zwei einfach zu behandelnde Probleme: (1) Bestimmung der lokalen Anregung durch stromaufwärts erzeugte aerodynamische Störungen, (2) eine lokale aerodynamische Stabilitätsanalyse des isolierten Gitters. Die simultanen Messungen zeigen, dass die Messfehler je nach additiver oder subtraktiver Wechselwirkung von Nachläufen und Schwingungsform stark variieren können. Somit muß bei simultanen Messungen den Fehlereinflussmöglichkeiten besondere Beachtung geschenkt werden, um die physikalischen Effekte in der Strömung von Messfehlern unterscheiden zu können.
    Résumé
    Dans le stand annulaire du "Laboratoire de Thermique Appliquée et de Turbomachines" (LTT) de "l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne" (EPFL), une série de mesures expérimentales dans le domaine de l'aéroélasticité a été réalisée. Lors de cette dernière, la réponse aérodynamique instationnaire d'une grille d’aubes de turbine a été étudiée dans trois cas distincts: (1) la grille d’aube fixes a été soumise au passage périodique de sillages amonts (2) la grille d’aubes a été mise en vibration de manière contrôlée (modes "d’onde tournante") dans un écoulement uniforme, et finalement (3) les aubes, forcées à vibrer, ont été soumises en plus au passage des sillages amonts avec une fréquence d'excitation commune et un déphasage constant entre ces deux sources d'instabilités; le but de ces essais étant d'identifier les effets aéroélastiques de ce type de grille. Un soin tout particulier a été apporté à l'étude de la relation entre les écoulements instationnaires des cas (1) et (2), ainsi qu'à l'étude de leur combinaison (3), avec le dessein de mieux comprendre le phénomène aérodynamique de réponse forcée dans les turbomachines. Les mesures expérimentales associées aux essais sus-mentionnées ont été réalisées dans un stand d’essai annulaire non-rotatif à l’aide de générateurs de sillages tournants et d’une grille d’aubes de turbine fixe. Les générateurs de sillages consistent en un assemblage de 13, respectivement 22 barres elliptiques conçues de manière à générer des sillages similaires à un grille d’aubes directrices. La grille d’aubes de turbine est composée de 20 aubes possédant chacun un mécanisme de suspension en combinaison avec un système d’excitation magnétique, permettant ainsi le contrôle du mode vibratoire de la grille d’aubes. Les objectifs détaillés de ce travail de recherche ont été: de mesurer la réponse aérodynamique instationnaire de l’aubage due: (1) au passage de sillages amonts, (2) à la vibration forcée de la grille d’aubes dans des modes "d’onde tournante", (3) à la présence simultanée de ces deux effets. à partir des résultats susmentionnées, de vérifier la validité des hypothèses inhérentes à la linéarisation du problème de réponse forcée. Plus spécifiquement: Est-ce que la réponse forcée locale et combinée d’une aube (3) peut être considérée comme la superposition linéaire des forces aérodynamiques instationnaires issues séparément de la vibration de la grille d’aubes (2) et du passage de sillages amonts (1)? Les conclusions de ce travail de recherche sont: les mesures simultanées ont démontré l’importante influence de l’angle de phase Φ, défini entre les deux sources d’excitations aérodynamiques, sur la distribution de la pression instationnaire sur l’aubage, et l’ont identifié comme paramètre-clé. Dans des conditions d’écoulement et une configuration données, le choix de cet angle de phase permet d’obtenir localement une interaction constructive ou destructive entre les premières harmoniques de chacune de ces sources d’excitation aérodynamique. En général, cela suggère que cet angle de phase a un effet important sur les niveaux d’excitations et sur les modes excités de la grille d’aubes mobile d’un étage axial. Il est même envisageable que des variations périodiques de cet angle de phase produisent une nouvelle source d’excitation aérodynamique combinée. Pratiquement, l’avantage de ce phénomène est que le choix judicieux de cet angle de phase peut permettre une diminution significative des niveaux d’excitations aérodynamiques pour un mode vibratoire, des conditions d’écoulement et une configuration donnés. L’excitation simultanée de l’aubage au passage des sillages amonts et à la vibration de la grille d’aubes peut être prédite de manière très précise par la superposition linéaire des champs d’écoulement instationnaires produit isolement par le passage des sillages amonts et, respectivement par la vibration de la grille d’aubes. Ce principe de superposition linéaire a été démontré localement pour un grand nombre de configurations, comprenant la variation de l’ordre d’excitation, la variation de l’angle de phase inter-aubes, la variation de l’angle de phase entre les deux sources d’excitation, ainsi que la variation des conditions d’écoulement. Les seules limitations significatives de ce principe furent constatées en présence de fort chocs. Néanmoins, dans ces cas, les erreurs de prévisions furent limitées à des zones très localisées, n'influençant ainsi que faiblement la charge aérodynamique instationnaire globale. L’analyse de ces erreurs a montré que la variation de la position moyenne du choc entre les mesures de réponse aux sillages, les mesures de réponse à la vibration des aubes et les mesures combinant ces deux effets, est leur source principale. Pratiquement, le principe de superposition linéaire de ces deux sources d’excitations permet une étude, numérique ou expérimentale, séparée de ces deux phénomènes: (1) identification des forces d’excitation locales dues au passage de sillages amonts sur une grille fixe, (2) une analyse de la stabilité aérodynamique de la grille d’aube isolée. Les mesures simultanées ont montré que les erreurs de mesures varient de manière importante en fonction de l’interaction constructive ou destructive des pressions fluctuantes générées par les sillages et le mode vibratoire de la grille d’aubes. Dans les mesures simultanées, une attention particulière est nécessaire pour séparer les phénomènes physiques des effets d’erreurs de mesures.