Heinichen, Frank (2013)
Passive Kontrolle der wandnahen Strömung in Axialkompressoren durch Modifikation der Annulusgeometrie.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Um der Forderung nach Flugtriebwerken mit niedrigerem Treibstoffverbrauch kurz- oder mittelfristig zu genügen, müssen die einzelnen Triebwerkskomponenten über das aktuell erreichte Niveau hinaus verbessert werden. So soll der Wirkungsgrad des Verdichtermoduls steigen und gleichzeitig einen für den sicheren Betrieb der Maschine ausreichenden stabilen Arbeitsbereich aufweisen. Ein wichtiger Weg zum Erreichen dieses Ziels führt über die Kontrolle der verschiedenen Sekundärströmungsphänomene. Zusätzlich zu den diesem Zweck dienenden, bereits etablierten Technologien befinden sich aktuell diverse aktive und passive Methoden in der Entwicklung. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei verschiedene passive Methoden, welche als Modifikation der Naben- und Gehäusewände klassifiziert werden können. Verschiedene Axialverdichter wurden mit nicht-achsensymmetrischer Endwandkonturierung sowie Gehäusestrukturierung ausgestattet, um ihre aerodynamischen Leistungsparameter zu verbessern. Der Großteil der Ergebnisse beruht auf 3D-CFD-Simulationen. Zu Validierungszwecken wurden zusätzlich experimentelle Resultate herangezogen. Für die nicht-achsensymmetrische Endwandkonturierung wurde ein halbautomatischer Auslegungsprozess entwickelt. Er wurde dazu genutzt, die Rotornabe sowie Nabe und Gehäuse des Stators eines 1,5-stufigen transsonischen Forschungsverdichters zu konturieren. Zusätzlich wurde die Statornabe eines zweistufigen Niedergeschwindigkeitsverdichters konturiert, um das Verbesserungspotenzial unter der Einwirkung von Deckbandleckage zu untersuchen. Es konnte numerisch demonstriert werden, dass sich durch eine Konturierung die Querkanalströmung so beeinflussen lässt, dass die lokalen Totaldruckverluste sinken und die Umlenkung verbessert wird. Der Betrag dieser Verbesserungen war signifikant erhöht, wenn die Referenzvariante mit achsensymmetrischen Annuluswänden ein Rezirkulationsgebiet nahe der zu konturierenden Endwand aufwies. In diesem Fall konnte der polytrope Stufenwirkungsgrad um mehr als ein Prozent gesteigert werden. Für den Fall eines Stators ohne relevantes Rezirkulationsgebiet wurden sowohl Schaufel- als auch Endwandgeometrie modifiziert, was zu einer Wirkungsgradsteigerung von 0,3% führte. Aufgrund des geringen benötigten Bauraums und der einfachen Geometrie wurde die Gehäusestrukturierung als einzelne Umfangsnut ausgeführt. Die Gehäusestrukturierung wurde auf den Rotor des 1,5-stufigen Forschungsverdichters sowie zwei weiteren transsonischen Verdichterrotoren appliziert. In allen Fällen wurde ein verbesserter Arbeitsbereich bei konstantem oder verbessertem Wirkungsgrad beobachtet. Die weitere Analyse zeigte, dass dies über eine Beeinflussung der Interaktion zwischen dem Rotorspaltwirbel und dem Stoß erreicht wurde. Die der Umfangsnut zuzuordnenden Verbesserungen waren um so höher, je größer der Anteil dieser Stoß-Wirbel-Interaktion am aerodynamischen Instabilitätsmechanismus des jeweiligen Rotors war.

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