Bei der Durchströmung von Leit- und Laufschaufelgittern von Turbomaschinen kommt es zu Verlusten, welche den Wirkungsgrad der Schaufelreihen und damit auch der gesamten Maschine begrenzen. Diese Strömungsverluste lassen sich im Wesentlichen in Reibungsverluste an den Oberflächen (Schaufel sowie Naben- und Gehäusewände) und Verluste auf Grund von Sekundärströmungen im Randzonenbereich der Schaufelgitter unterteilen. Die Beeinflussung und Verringerung der Sekundärströmung und der aus ihr resultierenden Verluste ist speziell in der Verdichteraerodynamik in den letzten Jahrzehnten eines der zentralen Themen der Forschung gewesen. Da gerade die Strömungsverhältnisse in den Randzonen zwischen den Schaufeln und den Naben- und Gehäusewänden durch komplexe Wirbelsysteme und Sekundärströmungen geprägt sind, stellt sich deren gezielte Beeinflussung als wissenschaftliche Herausforderung dar. Abbildung 1 zeigt das Streichlinienbild des Randzonenbereiches (Schaufel-Endwandübergang) eines konventionellen ebenen Verdichtergitters (Ma1 = 0,70). Hier sind die wesentlichen Sekundärströmungen zu erkennen, wie sie sich in einem Verdichtergitter ausbilden. Auf Grund des Druckgradienten zwischen der Druckseite einer Schaufel und der Saugseite der benachbarten Schaufel bildet sich eine Querströmung in der Passage an der Endwand aus. Aus dieser Querströmung resultieren zwei zueinander entgegengesetzt rotierende Kanalwirbel, welche an der Naben- und Gehäusewand energiearmes Grenzschichtmaterial in den Eckenbereich zwischen Wand und Schaufeldruckseite transportieren. Die starke Verzögerung der Strömung im Schaufelgitter sorgt dafür, dass es im Bereich der Ecke zu einer massiven Ablösung der Strömung kommt, wie Abbildung 1 zeigt. Aus dieser Ablösung und den vorhandenen Rückströmgebieten auf Schaufel und Wänden ergeben sich signifikante Totaldruckverluste in der Schaufelpassage, welche mit sinkendem Schaufelhöhenverhältnis immer dominanter werden. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades moderner Verdichter ist demzufolge stark mit der Reduzierung dieser Verluste gekoppelt.
Abbildung 1: Streichlinienbild des Randzonenbereiches (Schaufel-Endwandübergang) eines konventionellen ebenen Verdichtergitters (Ma1 = 0,70)
Die Entwicklung nicht-rotationssymmetrischer Endwandkonturen bietet die Möglichkeit die Sekundärströmungen im Randzonenbereich effektiv zu beeinflussen. Abbildung 2 zeigt die Streichlinien im Randzonenbereich (Schaufel-Endwandübergang) eines ebenen Verdichtergitters (Ma1 = 0,70) mit einer optimierten Endwandkontur. Die Kontur ist durch eine Furche gekennzeichnet, welche sich vom Zuströmbereich vor der Schaufel oberhalb der Schaufelsaugseite Richtung Schaufelhinterkante erstreckt. Am Beginn der Furche bildet sich ein Hilfswirbel, welcher über die Furche stromab geführt wird und entgegen der Drehrichtung des Kanalwirbels rotiert. Dies führt dazu, dass die Endwandquerströmung oberhalb der Furche ablöst und der Hilfswirbel mit dem Kanalwirbel ein Wirbelpaar bildet. Auf diese Weise wird die Interaktion des Kanalwirbels mit der Schaufelsaugseitengrenzschicht stromab verschoben, wodurch die Eckenablösung (Abbildung 2) und damit die Gesamtverluste erheblich verringert werden können.
Abbildung 2: Streichlinienbild des Randzonenbereiches (Schaufel-Endwandübergang) eines ebenen Verdichtergitters mit konturierter Endwand zur Strömungsbeeinflussung (Ma1 = 0,70)
Ausgewählte Publikationen:
Dorfner, C., Hergt, A., Nicke, E. und Mönig, R.: Advanced Non-Axisymmetric Endwall Contouring for Axial Compressors by Generating an Aerodynamic Separator Part I: Principal Cascade Design and Compressor Application, ASME Journal of Turbomachinery, 2011
Hergt, A., Dorfner, C., Steinert, W., Nicke, E. und Schreiber, H. A.:Advanced Non-Axisymmetric Endwall Contouring for Axial Compressors by Generating an Aerodynamic Separator Part II: Experimental and Numerical Cascade Investigation, ASME Journal of Turbomachinery, 2011
Hergt, A., Meyer, R. und Engel, K.: Effects of Vortex Generator Application on the Performance of a Compressor Cascade, ASME Journal of Turbomachinery, 2013
Weitere Veröffentlichungen finden Sie in der Veröffentlichungsliste der Abteilung Fan und Verdichter.