Laufende Projekte zur Sekundärströmungsbeeinflussung.

Aktive Strömungsbeeinflussung Strömungssituation an einem Schaufel/ Wandübergang. Farbig: Lokaler Totaldruckverlustbeiwert w in verschiedenen Ebenen Linien: Strömungsverlauf auf der Schaufel- und Seitenwandoberfläche Im Rahmen des von der DFG geförderten Projekts „Leistungssteigerung von Strömungsmaschinen durch aktive Sekundärströmungsbeeinflussung in einer Verdichterstufe“ werden gezielt aktive Maßnahmen zur Beeinflussung der Sekundärströmung untersucht. Das Projekt wird in Kooperation zwischen dem DLR und der TU Berlin bearbeitet. Experimentelle Untersuchungen am Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal des DLR werden bei realen Reynolds- und Machzahlen durchgeführt. Die numerischen Simulationen an der TU Berlin unter Leitung von Prof. Frank Thiele und Prof. Jörn Sesterhenn werden parallel durchgeführt. Die so berechneten Strömung wird anschließend mit den im Experiment erhaltenen Daten validiert. Ziel der Untersuchungen ist, durch aktive Strömungsbeeinflussung eine Leistungssteigerung von Verdichtern zu bewirken. Die Klärung der strömungsphysikalischen Mechanismen der stark dreidimensionalen abgelösten Eckenströmung durch hoch auflösende Messtechnik und begleitende numerische Untersuchungen macht dies möglich. Durch Absaugen der Seitenwandgrenzschicht werden die Strukturen der Sekundärströmung (Hufeisen-, Kanalwirbel und Eckenablösung) gezielt beeinflusst, um eine aerodynamische Entlastung der Verdichterschaufel zu bewirken. Die Geometrie und Positionierung der Absaugöffnungen in der Seitenwand ist entscheidend für den Erfolg dieser Maßnahmen. Auf experimenteller Seite sind Messungen an verschiedenen Verdichtergittern durchgeführt worden. Zunächst wurde detailliert die Grundströmung durch die Schaufelpassage mit verschiedenen Messmethoden (PIV und 5 Lochsonden) vermessen, die Ergebnisse dokumentiert und ausgewertet. Mit diesem Wissen wurde die Lage und die Geometrie der Öffnungen für die aktive Beeinflussung festgelegt. Es wurden Kaskaden mit Schlitzen in den Seitenwänden hergestellt und vermessen, die eine aktive Beeinflussung der Verdichterströmung durch Absaugen von Massenstrom erlauben. Die Ergebnisse mit den Absaugungen am Verdichtergitter waren sehr erfolgreich. In der besten Konfiguration konnten bei Absaugung von 5% des Gesamtmassenstroms 38% des Totaldruckverlustes eingespart werden. Ein anderes Gitter brachte es bei 2% Massenstromabsaugung auf 22% Totaldruckverlustreduktion. Um einen besseren Vergleich zwischen den Untersuchungen am Gitterkanal und anderen Literaturstellen zu ermöglichen, wurde in die Auswertung am Gitterkanal die Berechnung eines isentropen Stufenwirkungsgrades eingeführt. Die numerischen Simulationen wurden mit dem am Institut für Strömungsmechanik und technische Akustik (ISTA) entwickelten, druckbasierten Finite-Volumen-Verfahren ELAN3D durchgeführt. Dabei wurde zunächst der unbeeinflusste Auslegungsfall betrachtet und die Ergebnisse anhand experimenteller Daten validiert. Nach Abgleich der Zuströmbedingungen konnte eine sehr gute Übereinstimmung erreicht werden. Anschließend wurden die Absaugkonzepte für den Referenzfall betrachtet und, wo möglich, mit dem Experiment verglichen. Des Weiteren fand eine Variation des Anströmwinkels, der Anströmmachzahl und der betrachteten Reynoldszahl statt.

Passive Strömungsbeeinflussung Passive Strömungsbeeinflussung zwischen den Verdichterschaufeln. Links: Querrillen an der Seitenwand reduzieren die Sekundärströmung und die damit verbundene Eckenablösung; Rechts: Wirbelgeneratoren auf Verdichterschaufeln sorgen für eine Durchmischung von Grenzschicht und Hauptströmung und verhindern so eine Ablösung Passive Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung wurden von der Arbeitsgruppe in verschiedenen Projekten untersucht. Mit Wirbelgeneratoren, die auf den Statorschaufeln aufgebracht wurden konnte eine Verlustreduzierung von 5% erzielt werden. Durch Strömungsbeeinflussung mit Querrillen auf den Seitenwänden konnten diese Randzonenverluste im Auslegungspunkt um bis zu 10% vermindert werden. Die Umlenkung des Gitters erhöhte sich im Wandbereich um 2°. Dies entspricht einer Steigerung des isentropen Wirkungsgrades einer vergleichbaren einzelnen Axialverdichterstufe von 1,3 Prozentpunkten. In einem anderen Ansatz werden Wirbelgeneratoren genutzt, um die Strömung im Verdichter positiv zu beeinflussen. Diese Wirbelgeneratoren erzeugen einen energiereichen Längswirbel, der eine Durchmischung von langsamer und schneller Strömung fördert und so die energiearme Grenzschicht stabiler gegen eine Strömungsablösung werden lässt. Hier wird ebenfalls eine Reduzierung des Druckverlustes der Strömung ermöglicht, der eine Größenordnung von ca. 8% erreicht. Für die Gesamtmaschine bedeutet dies bei gleicher Verdichterstufenzahl und vorgegebener Verdichterantriebsleistung einen höheren Brennkammereintrittsdruck. Über die Isobarendivergenz des Kreisprozesses folgt direkt eine höhere nutzbare Turbinenleistung. Geht man von einem vorgegeben Brennkammereintrittsdruck bei der Auslegung der Gesamtmaschine aus, so erreicht diese bereits mit einer geringeren Verdichterstufenanzahl den geforderten Druck und erhebliche Einsparungen von Kosten und Gewicht sind die Folge. Diese Technologie hilft den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und trägt somit zu einer Reduzierung der CO2-Emmissionen bei.