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.

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