Im Rahmen der Diplomarbeit soll ausgehend von realen Geometriedaten eines neunstufigen Hochdruckverdichters (Abbildung 1) des Industriepartners Lufthansa Technik AG eine 3D-CFD-Simulation unter Verwendung des in der Abteilung Numerik entwickelten Strömungslösers TRACE aufgebaut werden.
Im ersten Abschnitt soll unter Berücksichtigung von konstruktiven Details (z.B. Halbspalte oder Bleed) und unter Anpassung der numerischen Modellparameter (z.B. Vernetzung oder Staupunkt-Anomalie im Turbulenzmodell) ein numerisch robustes Setup aufgebaut werden. Mit diesem soll im zweiten Abschnitt eine Variation der Rotorspaltmaße durchgeführt werden, bei der neben den Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Gesamtverdichters besonders die Arbeitsaufteilung der einzelnen Stufen von Interesse ist.
Im ersten Abschnitt wird ersichtlich, dass für ein numerisch robustes Setup (In Abbildung 2 ist beispielhaft das Rechennetz der 1. Stufe dargestellt.) die Staupunkt-Anomalie im Turbulenzmodell angepasst werden muss. Anstelle der üblicherweise verwendeten Modifikation nach Kato-Launder wird somit der Begrenzer nach Schwartz ausgewählt. Weiterhin zeigen alle konstruktiven Details signifikante Einflüsse, insbesondere die Halbspalte an den Verstellstatoren und das vorgesehene Bleed, bei dem 3% des Eintrittsmassenstroms abgezapft werden, sind nicht vernachlässigbar. Die Berücksichtigung des Bleeds ist außerdem in Hinsicht auf ein numerisch robustes Setup für Rechnungen mit Rotorspalthöhen >75% des Nominalmaßes notwendig. Abbildung 3 zeigt den Einfluss des Bleeds auf die Kennlinie des Gesamtverdichters bei Rotorspalthöhen von 75% des Nominalmaßes. Für die mit A und B gekennzeichneten Betriebspunkte mit gleichem Gegendruck ist in Abbildung 4 der Einfluss des Bleeds auf das Strömungsfeld der ersten fünf Stufen dargestellt.
Im zweiten Abschnitt wird das Spaltmaß aller Rotoren gleichmäßig und relativ zu der Nominalspalthöhe verändert. Bei Betrachtung des Gesamtverdichters zeigt sich, dass Wirkungsgrad (Abbildung 5) und Druckverhältnis bei Vergrößerung des Rotorspaltes deutlich sinken, was hauptsächlich auf die Intensivierung und verstärkte Ausdehnung der verlustbehafteten Spaltwirbel durch die größeren Rotorspalte zurückzuführen ist. Für die Arbeitsaufteilung der Stufen (Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Druckaufbau der Rotoren.) lässt sich erkennen, dass bei größerem Rotorspalt die hinteren Stufen weniger leisten als die vorderen. Bei Zunahme der Rotorspalthöhen limitieren also insbesondere die hinteren Stufen den Gesamtverdichterwirkungsgrad und den möglichen Betriebsbereich des Gesamtverdichters.
Abbildung 1: Modell des neunstufigen Hochdruckverdichters der Lufthansa Technik AG
Abbildung 2: Rechennetz der ersten Stufe des Hochdruckverdichters
Abbildung 3: Einfluss des Bleeds auf die Kennlinie des Gesamtverdichters bei 75% der Nominalrotorspalthöhe (A und B sind Betriebspunkte mit gleichem Gegendruck)
Abbildung 4: Einfluss des Bleeds auf das Strömungsfeld der Stufen 1-5 für die mit A und B gekennzeichneten Betriebspunkte in Abbildung 3
Abbildung 5: Einfluss der Rotorspalthöhe auf die Kennlinie des Gesamtverdichters