Die Strömung in den transsonischen Frontstufen ist durch ein komplexes System von Verdichtungsstößen geprägt. Die Stöße interagieren mit der Hinterkante der stromaufliegenden Statorschaufelreihe und der sich dort ausbildenden Nachlaufdelle. Dieser periodische Vorgang erzeugt Wirbel, welche stromab in die Rotorpassage wandern und wiederum die Strömung dort verändern.
In Abbildung 1 ist die Frontstufe des Rig250 in einem Betriebspunkt nahe der Pumpgrenze dargestellt. Die Strömung kommt von vorne, aus der Richtung des roten Pfeils. Es wurden drei Umfangsebenen gewählt, um die Wirbelstärke zu illustrieren. Des Weiteren sind die gasdynamischen Verdichtungsstöße mittels Isoflächen in türkis dargestellt. Es bilden sich sehr starke Wirbel im Gehäusebereich, wobei die Wirbelstärke in Richtung der Nabe abnimmt. Um die sich bildenden Wirbel gut visualisieren zu können, wurde in dem Bild ein sehr kleiner Axialabstand zwischen IGV und Rotor 1 gewählt. Der gezeigte aerodynamische Interaktionseffekt ist von der Stoßstärke, dem Schaufelzahlverhältnis, dem Axialabstand und der sich ergebenden Position der Wirbel abhängig. Die Stoßstärke und somit die Wirbelstärke steigen sobald der Verdichter angedrosselt wird. Die Wirbel beeinflussen alle Betriebsparameter des Verdichters, wie z.B. Totaldruck, Wirkungsgrad und Pumpgrenzabstand.
Durch eine systematische Untersuchung der Einflussparameter, hier insbesondere durch eine Variation des Axialabstandes, konnten die Zusammenhänge zwischen den Performance-Größen und den Geometrieparametern aufgezeigt werden. Das Totaldruckverhältnis variierte z.B. nahe der Pumpgrenze um bis zu 2%. In der Literatur vorhandene Konzepte, diese Effekte mit einem einfachen analytischen Ansatz zu beschreiben, wurden deutlich verbessert und verallgemeinert. Jetzt ist es möglich mit diesen analytischen Ansätzen die zeitabhängigen Änderungen auf der Grundlage von RANS-Simulationen abzuschätzen und Designhinweise zum optimalen Axialabstand und der Fädelung/3D-Gestaltung der Statorschaufel stromauf des transsonischen Rotors abzuleiten.
Abbildung 1: Stoßinduzierte Wirbel im Rig 250 zwischen Inlet Guide Vane (IGV) und Rotor 1 mit reduziertem Axialabstand (44%)
Ausgewählte Publikationen:
Knobbe, H.: Abschlussbericht: Analyse stoßinduzierter Wirbel in Bezug auf das aerodynamische Design transsonischer Axialverdichter, Projektbericht, 2013
Schönweitz, D., Goinis, G., Voges, M. und Johann, E.: Experimental and Numerical Examinations of a Transonic Compressor-Stage With Casing Treatment, ASME Turbo Expo 2013, 03.-07. Juni 2013, San Antonio, USA
Knobbe, H., Nicke, E. und Cornelius, C.: Shock Induced Vortices in Transonic Compressors: Physical Interpretations, ASME Turbo Expo, San Antonio, Texas, USA, 2013
Knobbe, H. und Nicke, E.: Shock induced vortices in transonic compressors: aerodynamic effects and design correlations, ASME Turbo Expo, 11-15. Jun. 2012, Kopenhagen, Dänemark
Weitere Veröffentlichungen finden Sie in der Veröffentlichungsliste der Abteilung Fan und Verdichter.