Im Rahmen des von der DFG geförderten Projekts „Leistungssteigerung von Strömungsmaschinen durch aktive Sekundärströmungsbeeinflussung in einer Verdichterstufe“ werden aktive Maßnahmen zur Beeinflussung der Sekundärströmung untersucht. Das Projekt wird in Kooperation zwischen dem DLR und der TU Berlin bearbeitet. Experimentelle Untersuchungen am Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal des DLR werden bei realen Reynolds- und Machzahlen durchgeführt. Die numerischen Simulationen an der TU Berlin unter Leitung von Prof. Frank Thiele und Prof. Jörn Sesterhenn werden parallel und ergänzend behandelt. Die numerisch berechnete Strömung wird mit den im Experiment erhaltenen Daten validiert und so gewonne Informationen werden für die bessere Strömungsbeeinflussung genutzt.
Ziel der Untersuchungen ist, durch aktive Strömungsbeeinflussung eine Leistungssteigerung von Verdichtern zu bewirken. Die Klärung der strömungsphysikalischen Mechanismen der stark dreidimensionalen abgelösten Eckenströmung durch hoch auflösende Messtechnik und begleitende numerische Untersuchungen macht dies möglich.
Durch Absaugen der Seitenwandgrenzschicht werden die Strukturen der Sekundärströmung (Hufeisen-, Kanalwirbel und Eckenablösung) beeinflusst, um eine aerodynamische Entlastung der Verdichterschaufel zu bewirken. Die Geometrie und Positionierung der Absaugöffnungen in der Seitenwand ist entscheidend für den Erfolg dieser Maßnahmen.
Auf experimenteller Seite sind Messungen an verschiedenen Verdichtergittern durchgeführt worden. Zunächst wurde detailliert die Grundströmung durch die Schaufelpassage mit verschiedenen Messmethoden (Druckrechen, PIV und 5-Loch-Sonden) vermessen, die Ergebnisse dokumentiert und ausgewertet. Mit diesem Wissen wurde die Lage und die Geometrie der Öffnungen für die aktive Beeinflussung festgelegt. Es wurden Kaskaden mit Schlitzen in den Seitenwänden hergestellt und vermessen, die eine aktive Beeinflussung der Verdichterströmung durch Absaugen von seitenwandnahem Massenstrom erlauben. Die Ergebnisse mit den Absaugungen am Verdichtergitter waren sehr vielversprechend. In der besten Konfiguration konnten bei Absaugung von 5% des Gesamtmassenstroms bis zu 38% des Totaldruckverlustes eingespart werden. Ein anderes Gitter brachte es bei 2% Massenstromabsaugung auf 22% Totaldruckverlustreduktion. Um einen besseren Vergleich zwischen den Untersuchungen am Gitterkanal und anderen Literaturstellen zu ermöglichen, wurde in die Auswertung am Gitterkanal die Berechnung eines isentropen Stufenwirkungsgrades eingeführt.
Die numerischen Simulationen wurden mit dem am Institut für Strömungsmechanik und technische Akustik ISTA entwickelten, druckbasierten Finite-Volumen-Verfahren ELAN3D durchgeführt. Dabei wurde zunächst der unbeeinflusste Auslegungsfall betrachtet und die Ergebnisse anhand experimenteller Daten validiert. Nach Abgleich der Zuströmbedingungen konnte eine sehr gute Übereinstimmung erreicht werden. Anschließend wurden die Absaugkonzepte für den Referenzfall betrachtet und, wo möglich, mit dem Experiment verglichen. Weiterhin fand eine Variation des Anströmwinkels, der Anströmmachzahl und der betrachteten Reynoldszahl statt.
Die wichtigsten Ergebnisse der Strömungsbeeinflussung sind bei Konferenzen und in fachspezifischen Journalen veröffentlicht.