Zu den wesentlichen Themen im Bereich der Grundlagenforschung an Verdichtergittern gehört die Entwicklung und Verifizierung neuer Profildesignkonzepte. Hier steht nicht nur der reine einsatzbezogene Entwurf im Vordergrund, sondern es werden auch spezielle Entwurfsverfahren unter Berücksichtigung unterschiedlichster Randbedingungen entwickelt. Nachfolgend sind einige generelle Entwicklungsansätze zusammengefasst.
Die Verdichterströmung bei niedrigen Reynoldszahlen stellt an das Profildesign besondere Anforderungen, da bei diesen Strömungsverhältnissen der Einfluss der Zähigkeit zunimmt. Dies führt zur Ausbildung dickerer Grenzschichten und höherer viskoser Verluste im Schaufelgitter. Bei einer niedrigen Zuströmturbulenz können sich je nach Profilform große laminare Ablöseblasen bilden, wodurch eine frühzeitige Strömungsablösung am Profil verursacht werden kann. Das bedeutet, dass hier auch der mögliche Arbeitsbereich eingeschränkt ist. Im Rahmen eines durch die VW-Stiftung geförderten Projektes wurde ein subsonisches Verdichtergitter (Ma1 = 0,60) für eine Anwendung als OGV bei einer sehr niedrigen Reynoldszahl von 1,5x105 ausgelegt. Die Auslegung erfolgte über den institutseigenen automatisierten Optimierer AutoOpti in Kombination mit dem numerischen Löser MISES. Im Vergleich mit dem initialen Schaufelgitter konnten die Verluste deutlich reduziert werden. Weiterhin wurde ein breiter Arbeitsbereich erreicht. Abbildung 1 zeigt die experimentellen und numerischen Profilmachzahlverteilungen für eine Zuströmung mit Tu = 0,8% und Tu = 4,0%. Es wird deutlich, dass die experimentellen und numerischen Ergebnisse eine gute Übereinstimmung zeigen. Eine signifikante Abweichung tritt jedoch zwischen den experimentellen und numerischen Verlusten bei geringem Turbulenzgrad auf. Hier zeigen die Profilmachzahlverteilungen, dass die Ausdehnung der laminaren Ablöseblase durch die numerische Simulation zu klein vorhergesagt wird.
Abbildung 1: Experimentelle und numerische Profilmachzahlverteilungen für das subsonische LRN-OGV-Verdichtergitter (Ma1 = 0,60) bei zwei Zuströmturbulenzgraden
Bei der Auslegung von leistungsstarken und effizienten Axialverdichtern, speziell für Flugtriebwerke, ermöglicht die Bereitstellung von verschiedenen, schnell einsetzbaren und validierten Designansätzen eine optimale Abstimmung der Belastung der einzelnen Verdichterstufen. Ein solcher Designansatz stellt die doppelreihigen Schaufelanordnungen als Tandemschaufelreihe dar. Sie bieten die Möglichkeit, bei der Anwendung in einer transsonischen Frontstufe oder als OGV eines Verdichters, eine maximale Umlenkung mit moderater aerodynamischer Belastung zu erreichen, wodurch sich ein größerer Spielraum in der Abstimmung der Verdichterstufen ergibt. Im Rahmen des LuFo IV Vorhabens Verdi wurde sowohl ein subsonisches als auch ein transsonisches Tandemschaufelgitter ausgelegt. Über den Optimierungsprozess wurden nicht nur zwei leistungsstarke Konfigurationen entwickelt, sondern die erstellte Datenbasis konnte auch zur Definition allgemeiner Designrichtlinien verwendet werden. Abbildung 2 zeigt das transsonische Tandemgitter TTG-120, welches für die Untersuchungen im Transsonischen Gitterwindkanal Köln (TGK) eingesetzt wird.
Abbildung 2: Transsonisches Tandemgitter mit optimiertem Verlustverhalten und breitem Arbeitsbereich (Ma1 = 0,90)
Ausgewählte Publikationen:
Hergt, A., Steinert, W. und Grund, S.: Design and Experimental Investigation of a Compressor Cascade for Low Reynolds Number Conditions, ISABE Paper, 21st ISABE Conference Busan/Korea, September 2013
Weitere Veröffentlichungen finden Sie in der Veröffentlichungsliste der Abteilung Fan und Verdichter.