Bau 6 des 4,5-stufigen Axialverdichters Rig250 wurde mit speziellen Strukturierungen zur passiven Strömungsbeeinflussung, sogenannten Casing Treatments (CT), im Gehäusebereich der Laufschaufelspitzen der transsonischen Stufe 1 und subsonischen Stufe 3 ausgerüstet. Casing Treatments verbessern die Teillaststabilität des Verdichters, ohne dass es zu Wirkungsgradverschlechterungen bei Nenndrehzahl kommt.
Basierend auf Experimenten wurden umfangreiche numerische Untersuchungen zu Gehäusestrukturierungen in Verdichtern durchgeführt. Die grundlegende Frage, welche geometrischen Merkmale für eine besonders positive Beeinflussung der Strömung wichtig sind, wurde mit Hilfe der automatisierten Optimierung mit AutoOpti untersucht.
Die Optimierung von Gehäusestrukturierungen erfordert einen erheblichen numerischen Aufwand. Zum einen ist es wesentlich, den Betriebsbereich der verschiedenen Konfigurationen mit guter Genauigkeit zu bestimmen. Hierfür wurden verschiedene Strategien entwickelt, die eine Bestimmung der Pumpgrenze während der Optimierung ermöglichen. Zum anderen ist es erforderlich, zur Simulation von nicht-rotationssymmetrischen Strukturierungen zeitgenaue CFD einzusetzen. Dies wurde erstmalig innerhalb einer komplexen automatisierten Optimierung unter Einsatz des zeitgenauen URANS-CFD-Lösers TRACE durchgeführt. Hier entwickelte Softwareerweiterungen wie eine Konvergenzüberwachung für instationäre Simulationen sowie verschiedene Regler zur Steuerung des Betriebspunktes sind mittlerweile fester Bestandteil des CFD-Lösers TRACE geworden.
Abbildung 1: Kennfelderweiterung durch ein optimiertes Axial-CT
Durch eine Mehrzieloptimierung bezüglich Pumpgrenzabstand und Wirkungsgrad verschiedener Typen von Gehäusestrukturierungen wurden wesentliche Zusammenhänge zwischen den Geometrieparametern und den Zielfunktionen identifiziert und wichtige Erkenntnisse zur Strömungsphysik der Gehäusestrukturierungen gewonnen. Dieses Wissen kann bei einer zukünftigen Gestaltung von Gehäusestrukturierungen gezielt eingesetzt werden, um schneller ein CT mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. In Abbildung 1 ist der positive Einfluss eines durch eine Optimierung erhaltenen Axial-CTs auf den Betriebsbereich des ersten Rotors des Rig250 dargestellt.
Ausgewählte Publikationen:
Goinis, G.: Optimierung von transsonischen Verdichterstufen mit Gehäuseeinbauten, Projektbericht, 2013
Goinis, G., Voß, C. und Aulich, M.: Automated Optimization of an Axial-Slot Type Casing Treatment for a Transonic Compressor, ASME Turbo Expo 2013, 03.-0.7. Jun. 2013, San Antonio, Texas, USA, ISBN 978-0-7918-5523-2
Goinis, G., Voß, C. und Aulich, M.: Circumferential Grooves for a Modern Transonic Compressor: Aerodynamic Effects, Benefits and Limitations, 10th European Turbomachinery Conference, Seiten 58-71, 15.-19. Apr. 2013, Lappeenranta, Finland, ISBN 978-952-265-385-7, ISSN 2243-3384
Goinis, G., Voß, C. und Nicke, E.: Automated Optimization of a Circumferential Groove Type Casing Treatment for a Transonic Compressor, Konferenzbeitrag, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2012, Berlin
Weitere Veröffentlichungen finden Sie in der Veröffentlichungsliste der Abteilung Fan und Verdichter.