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Sekundärströmungsbeeinflussung in Verdichtergittern



 
Eckenablösungen am NACA Schaufelgitter
Der Verdichter nimmt eine Schlüsselrolle im thermodynamischen Kreisprozess eines Flugtriebwerks bzw. einer stationären Gasturbine ein. Die Verluste in axialen Verdichterstufen werden im Wesentlichen durch Spalt- und Sekundärströmungsverluste beherrscht. Die Seitenwandgrenzschichten werden mit zunehmender Stufenzahl immer dicker. Aufgrund des Druckanstieges und des damit verbundenen Gegendrucks neigt die Strömung im Verdichter zur Ablösung. Die Sekundärströmung im Bereich der Seitenwände (Gehäuse und Nabe) verursacht Eckenströmungsablösungen auf der Saugseite der Schaufeln, die einerseits direkt Verluste bedingen, aber andererseits auch das erreichbare Druckverhältnis einer Verdichterstufe mindern.
 
Mit Methoden aus der passiven und aktiven Strömungsbeeinflussung können diese Strömungsablösungen unterdrückt oder zumindest reduziert werden. Als passive strömungsbeeinflussende Maßnahmen kommen z.B. Rillenstrukturen auf den Seitenwänden, Wirbelgeneratoren, Hinterkantenmodifikationen und Wandkonturierungen zum Einsatz. Die Gruppe der aktiven Maßnahmen benötigt einen zusätzlichen Energieaufwand für die Beeinflussung und beinhaltet beispielsweise Absaugung bzw. Ausblasung in die Gitterpassage.

 

Parameter am Gitterkanal

 Machzahl  0,7
 Reynoldszahl  600.000
 Schaufelanzahl  5
 Schaufelprofil  NACA65-K48/ CDA
 Schaufelhöhe  40mm
 Sehnenlänge  40mm
 Teilungsverhältnis  0,55
 
 

Prinzipskizze vom Berliner Gitterkanal

Diese und andere Konzepte werden derzeit auf ihre Eignung in Verdichtern an verschiedenen Schaufelprofilen (Controlled Diffusion Airfoil CDA, NACA 65-K48) bei Auslegungs- und Offdesign-Bedingungen (Variation des Zuströmwinkels und der Machzahl) untersucht.

Verdichterkaskade mit Nachlaufmesseinrichtung am Gitterkanal

Für die Untersuchung der Eckenablösung und der Wirkungsgradsteigerung in axialen Verdichtern durch eine geeignete Beeinflussung der Sekundärströmung steht ein Hochgeschwindigkeits- Gitterprüfstand zur Verfügung. Dieser erlaubt Messungen bei realistischen Reynolds- und Machzahlen (Re <= 600000; Ma < 0,7). Die Seitenwand-Grenzschichtdicke lässt sich variieren. Staffelungs- und Schaufelwinkel können in weiten Grenzen verstellt werden und komplette Schaufelgitter können in wenigen Minuten ausgetauscht werden. Druckmesseinrichtungen und eine automatisierte Datenerfassung erlauben die Beurteilung einer großen Zahl von Konfigurationen in kurzer Zeit. Für weiterführende Untersuchungen können die Strömungsstrukturen und Geschwindigkeitskomponenten innerhalb der Gitterpassage mit Fünfloch-Drucksonden vermessen werden. Aufwändiger, dafür jedoch aussagekräftiger, sind Messungen mit der berührungslosen PIV oder Stereo PIV Methode. Mit Anstrichbildern zur Strömungsvisualisierung lassen sich zusätzliche Informationen über die Strömungstopologie gewinnen.

 
Literaturübersicht Sekundärströmungsbeeinflussung
  1. Hergt, A.; Meyer, R.; Liesner, K. & Nicke, E. (2011)
    A New Approach for Compressor Endwall Contouring; ASME GT2011-45858, accepted, 2011
  2. Gmelin, C.; Thiele, F.; Liesner, K. & Meyer, R. (2011)
    Investigations of Secondary Flow Suction in a High Speed Compressor Cascade; ASME GT2011-46479, accepted, 2011; Vancouver, Canada
  3. A. Hergt, R. Meyer, and K. Engel. Effects of Vortex Generator Application on the Performance of a Compressor Cascade; ASME GT2010-22464; ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea and Air; June 14-18, 2010, Glasgow, UK
  4. R. Meyer, K. Knobloch, J. Linden (2010)
    Hot wire measurements in a high speed Counter Rotating Turbo Fan Rig; GT2010-22569; ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea and Air; June 14-18, 2010, Glasgow, UK
  5. K. Liesner, R. Meyer (2010)
    Aktive und passive Sekundärströmungsbeeinflussung im Hochgeschwindigkeits-Verdichtergitter mit verschiedenen experimentellen Meßmethoden; 17. DGLR Fach Symposium der STAB, 9.-10. November 2010, Berlin
  6. S. Schulz, K. Liesner, R. Meyer, H. Passrucker, R. Wunderer (2010)
    A parameter study on the influence of fillets on the compressor cascade performance; Proceedings of XIX Polish National Fluid Dynamics Conference KKMP; 5.-9. September 2010; Poznan, PL
  7. K. Liesner, S. Schulz, R. Meyer (2010)
    Non symmetrical Boundary Layer suction in a compressor cascade;  Proceedings of XIX Polish National Fluid Dynamics Conference KKMP; 5.-9. September 2010; Poznan, PL
  8. K. Liesner, R. Meyer, M. Lemke, Ch. Gmelin, F. Thiele (2010)
    On the efficiency of secondary flow suction in a compressor cascade; Proceedings of ASME Turbo Expo 2010, 14.-18. Juni, Glasgow, U.K.; GT2010-22336
  9. K. Liesner, R. Meyer (2008)
    Experimental setup for detailed secondary flow investigation by two-dimensional measurement of total pressure loss coefficients in compressor cascades; Proc. XIX Biannual symposium on measuring techniques in turbo machinery; 7.-8. April 2008; von Karman Institute for Fluid Dynamics; Sint Genesius Rode, Belgium
  10. K. Liesner, R. Meyer, W. Hage, C.O. Paschereit (2008)
    Off-design study on secondary flow control using contoured plates on high speed compressor cascade walls; The 2nd International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows; ICJWSF-2008; Technical University Berlin; September 16 – 19 2008, Berlin
  11. A. Hergt, R. Meyer, M.W. Müller, K. Engel (2008)
    Loss Reduction in Compressor Cascades by Means of Passive Flow Control, Proceedings of ASME Turbo Expo 2008, 9.-13. Juni, Berlin, GT2008-50357
  12. R. Meyer, W. Hage (2008)
    Secondary flow control on axial compressor blades by passive and active methods;
    AIAA 2008-4320; 4th AIAA Flow Control Conference, 23-26 June 2008, Seattle, Washington,
  13. R. Meyer, W. Hage, C.O. Paschereit (2006)
    Flow control with crosswise grooves in diffuser flows, EUROMECH Fluid Mechanics Conference, EFMC-6, 26-29 Juni 2006, Stockholm, Schweden
  14. W. Hage, R. Meyer, C.O. Paschereit (2007)
    Control of flow separation in adverse pressure gradients by means of crosswise grooved surfaces for applications in turbo machines, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Volume 96, Springer-Verlag; 2007
  15. W. Hage, R. Meyer, C.O. Paschereit (2007)
    Control of Secondary Flow in a High Loaded Compressor Stage by Means of a Groove Structure on the Sidewalls, AIAA 2007-4278, 25th AIAA Applied Aerodynamics Conference; 25 - 28 June 2007, Miami, FL, USA
  16. A. Hergt, R. Meyer, K. Engel (2006)
    Experimental investigation of flow control in compressor cascades, GT2006-90415, ASME Turbo Expo 2006, 8-11 Mai 2006, Barcelona, Spain



Kontakt
Dr.-Ing. Robert Meyer
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Triebwerksakustik
Berlin

Tel.: +49 30 310006-38

Fax: +49 30 310006-39

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