Biela, Christoph (2013)
Experimentelle Untersuchung zum Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung eines anderthalbstufigen transsonischen Axialverdichters.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Luftverkehr ist ein fester Bestandteil der globalisierten Welt. Die Entwicklung eines effizienten Antriebskonzepts – Anfang des 20. Jahrhunderts – bildete die Grundlage der heutigen Luftfahrt. Für die Auslegung eines neuen Flugtriebwerks müssen die Vorgänge in den einzelnen Komponenten beschrieben und vorhergesagt werden. Bei der Entwicklung von Turboverdichtern werden diese mit Hilfe von numerischen Verfahren modelliert. Die Berechnung der Verdichterkennfelder im Bereich um den Auslegungspunkt werden mit heutigen Verfahren sehr gut abgebildet. Abseits des Auslegungspunkts treten allerdings vermehrt instationäre Effekte auf, die nur durch experimentelle Untersuchungen erfasst und charakterisiert werden können. Verdichter werden in Triebwerken immer mehrstufig eingesetzt. Daher muss die Interaktion der Stufen und deren Auswirkung auf Wirkungsgrad und Stabilität untersucht werden. Die Beschreibung instationärer Effekte spielt hier in allen Betriebspunkten eine wichtige Rolle, weil die Interaktion zweier Schaufelreihen zwangsläufig instationär ist.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Strömung in der neuen Forschungsverdichterstufe IGV-1/Rotor-5/Stator-3 zu untersuchen. Vor allem der Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung und die aerodynamische Betriebsgrenze der Gesamtstufe werden untersucht. Durch die zeitliche und räumliche Auflösung der Messungen stellt diese Arbeit experimentelle Daten zur Verfügung, die es ermöglichen, eine Vielzahl von Theorien zur Strömung in transsonischen Verdichtern zu überprüfen bzw. zu erweitern. Beim Vergleich der gemessenen und simulierten Verdichterkennfelder mit dem Stand der Technik sind keine unerwarteten Abweichungen zur allgemeinen Theorie oder zur reibungsfreien Vorhersage zu erkennen. Position und Form des Verdichtungsstoßes, des Expansionsgebiets und des Spaltwirbels zeigen kein widersprüchliches Verhalten. Es kann deswegen davon ausgegangen werden, dass die dargestellten Effekte auch auf andere Verdichter ähnlicher Bauweise übertragbar sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Einfluss des Vorleitrads auf die Rotorströmung nicht nur durch den Profilnachlauf erfolgt. Zusätzlich bildet sich ein Wirbel am Penny-Slot des Vorleitrads. Dieser Wirbel ist maßgeblich für die Umfangsvariation der gehäusenahen Rotorströmung verantwortlich und führt in den Experimenten zu einer Erhöhung des Pumpgrenzabstands von 2%.

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