Kablitz, Stephan (2004)
Beeinflussung der Spaltströmung von Transsonischen Axialverdichtern durch Forward Sweep.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorgelegten Arbeit wird die Anwendbarkeit eines weiterentwickelten aerodynamischen Entwurfskonzepts für Beschaufelungen von transsonischen Axialverdichtern experimentell und numerisch untersucht. Das vorgestellte Enwurfskonzept beeinflußt direkt den Entstehungsmechanismus von Verdichterinstabilitäten. Ein typischer Auslöser für den Übergang in die Instabilität bei transsonsichen Axialverdichtern ist eine Blockage der Hauptströmung im Bereich der Gehäuseseitenwand. Diese Blockage entsteht durch eine starke Interaktion der Spaltströmung zwischen Schaufelspitze und Gehäuse, der Hauptströmung und dem Verdichtungsstoß in der Schaufelpassage. Die zunächst auftretende Vermischung von Spaltströmung mit der Hauptströmung durch die Passage bringt einen charakteristischen Spaltwirbel hervor, der im stabilen Verdichterbetrieb in Richtung der Hauptströmung durch die Beschaufelung transportiert wird. Drosselt man den Verdichter über ein kritisches Druckverhältnis hinaus an, kann der Wirbel nicht länger gegen den erhöhten Gegendruck transportiert werden und platzt auf. Der Zusammenbruch der Strömung im Gehäusebereich führt dann zu instabilem Verdichterbetrieb („Rotating Stall“ oder auch „Pumpen“). Es ist die These dieser Arbeit, daß durch gezielte Verschiebung der Profilschnitte im Bereich der Blattspitze stromaufwärts („Forward Sweep“) bei gleichzeitiger Vergrößerung der Sehnenlänge der Arbeitsbereich von transsonischen Axialverdichtern erheblich erweitert werden kann. Am transsonischen Verdichterprüfstand des Fachgebiets wurden zwei Rotoren vergleichend zunächst experimentell untersucht. Der erste Rotor, Rotor 1, basiert auf einem Entwurfskonzept, wie es dem Stand der Technik von vor ca. 10 Jahren entspricht. Der neue Rotor 3 wurde mit dem vorgestellten, weiterentwickelten Entwurfskonzept ausgelegt. Der Kennwert „Pumpgrenzabstand“, der den Abstand des Auslegungspunkts von der Stabilitätsgrenze angibt, konnte mit dem neuen Konzept bei Nenndrehzahl von 8% auf 30% ausgebaut und der Wirkungsgrad der Verdichterstufe konnte gleichzeitig um ca. 1% gesteigert werden. Um die Vorgänge in der Spaltströmung zu untersuchen, die dem Experiment nicht zugänglich sind, wurden zusätzlich numerische Untersuchungen beider Rotoren durchgeführt. Es konnten hierbei geeignete Kennzahlen und Kriterien identifiziert werden, die schon bei der Auslegung einer Beschaufelung einen Rückschluß auf die Auswirkung von Entwurfsvariationen auf den Pumpgrenzabstand erlauben. Die vorgestellten Ergebnisse belegen die Leistungsfähigkeit des Entwurfskonzepts und erhärten damit die aufgestellte These.

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