Die Strömung in Turbomaschinen ist durch eine Vielzahl von instationären Effekten geprägt. Dies ist besonders bei der Umströmung der Beschaufelung der Fall: Die Strömungsnachläufe einer jeder Schaufelreihe treffen weiter stromab auf die folgenden Schaufelreihen. Dies hat sowohl Einfluss auf die aerodynamische Güte, das Schwingungsverhalten als auch auf die akustischen Effekte in den einzelnen Triebwerkskomponenten. Durch zeitlich aufgelöste Messungen der Geschwindigkeit und der Wanddrücke erhält man ein klareres Bild der instationären Wechselwirkungen. Zum Einsatz kommen Hitzdraht-, Totaldruck-, wandbündige Drucksonden und bildgebende Verfahren wie Lasermessungen. Aus den gemessenen Daten lassen sich unter anderem die Turbulenzgrößen bestimmen, die eine wertvolle Datenbasis für die Validierung von strömungsmechanischen und aeroakustischen Rechenmodellen bildet.
Instationäre Aerodynamik in Turbomaschine
Hitzdraht-Anemometrie und instationäre CFD-Simulationen
Eine Möglichkeit zur Sichtbarmachung instationärer Effekte wie zum Beispiel Nachlaufdellen hinter Schaufelreihen ist die Hitzdraht-Anemometrie (HDA). Dabei werden sehr dünne Drähte elektrisch aufgeheizt und durch vorbeiströmendes Fluid abgekühlt. Dieser Kühleffekt lässt sich durch eine Änderung der Widerstände messen und letztendlich in eine Geschwindigkeit überführen. Aufgrund der sehr hohen Sample-Raten besitzt die Hitzdraht-Anemometrie ein vergleichsweise hohes Auflösevermögen. Dadurch können instationäre Strömungseffekte über ein weites Spektrum messtechnisch erfasst und visualisiert werden.
Die so erzeugten Daten können als Randbedingungen für numerische Untersuchungen verwendet werden. So lassen sich aus den hoch aufgelösten Zeitreihen mittels Fast-Fourier-Transformationen der Turbulenzgrad bestimmen, welcher eine wichtige Randbedingung für genaue CFD-Simulationen darstellt. Zur numerischen Berechnung der zeitlichen Schwankungen in Umfeld einer Turbomaschinenstufe wird das vom DLR entwickelte CFD-Verfahren TRACE verwendet. Dieses berechnet Lösungen der kompressiblen instationären Navier-Stokes-Gleichungen. Anhand dieser Ergebnisse kann der räumliche und zeitliche Verlauf des deterministischen Anteils der Strömungsgrößen dargestellt werden. An ausgewählten Positionen können diese Größen mit Messdaten verglichen werden um die Ergebnisse des CFD-Verfahrens abzusichern. Eine detaillierte Auswertung der räumlichen und zeitlichen Gradienten ermöglicht tiefere Einblicke in die Strömungsphysik.
Instationäre Aerodynamik als Input für die Schallvorhersage Instationäre Strömungsphänomäne sind für die Entstehung von Schall verantwortlich. In einer Turbomaschine treten sie sich in Form von konvektierenden Nachläufen und rotierenden Druckfeldern auf. Im Rahmen der Vorhersage von Schall mit Hilfe von analytischen Werkzeugen wie dem Programm PropNoise ist es wichtig, die Strömungsschwankungen richtig abzubilden. Aus Kosten- und Zeitgründen ist es oft nicht möglich instationäre Strömungs-Simulationen durchzuführen, so dass man auf eine weniger aufwendige stationäre RANS-Rechnung zurückgreift. Die instationären Strömungsphänomäne müssen dementsprechend rekonstruiert werden, um für akustischen Modelle Eingangsgrößen zu erhalten. Dies ist ein Teil der aktuellen Forschung in der Abteilung Triebwerksakustik.
Ausgewähltes Beispiel: Rotierende Instabilitäten Dem Thema der instationären Aerodynamik in Turbomaschinen ist beispielsweise ein Strömungsphänomen zugeordnet, das als Rotierende Instabilität (RI) bezeichnet wird. Dieses Phänomen tritt vorwiegend in Axialverdichtern nahe der Stabilitätsgrenze auf und wirkt sich negativ auf Druckaufbau und Stabilität des Verdichters aus. Verfügbare Erklärungsmodelle - anhand spaltinduzierter instationärer Wirbelsysteme - bieten bisher keine ausreichende Beschreibung dieses Phänomens. Mit einem umfassenden Verständnis der Rotierende Instabilität können kritische Betriebspunkte im Bezug auf Aerodynamik und Akustik in Zukunft schon in der Auslegungsphase eines Turboverdichters erkannt und vermieden werden. Allgemein ist das Auftreten der Rotierende Instabilität nicht nur auf Rotoren und Statoren in Axialverdichtern beschränkt, vielmehr wurde das Phänomen auch in Zentrifugal- und Radialmaschinen sowie in Turbinenstufen beobachtet. Typisch für die Rotierende Instabilität ist eine charakteristische spektrale Signatur mit nebeneinander liegenden Amplitudenüberhöhungen unterschiedlicher Umfangsmodenordnungen(Details siehe Internetseite:Schallquellen in Turbomaschinen).