Motivation
In Strömungsmaschinen wie Luftfahrttriebwerken stationären Gasturbinen treten Strömungszustände auf, die erheblichen Einfluß auf die Geräuschentwicklung und die aerodynamischen Eigenschaften haben. Strömungs- bzw. Grenzschichtablösungen zeigen starken Auswirkungen auf das Verlust- und Schwingungsverhalten. Die Turbulenzstrukturen, die in technischen Strömungen auftreten, verursachen eine Wechselwirkung mit umströmten Bauteilen. In Strömungsmaschinen trifft die erhöhte Turbulenz des Nachlaufs einer Rotorschaufel auf die Vorderkante einer nachgelagerten Statorstufe. Die daraus resultierenden starke Wechseldrücke auf den Schaufelvorderkanten führen zu einer deutlichen Schallabstrahlung. Neben diesen aerodynamischen Auswirkungen hat die Schallabstrahlung der einzelnen Komponenten einer Strömungsmaschine eine entscheidende Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit sowie der gesellschaftlichen Akzeptanz insbesondere der Luftfahrtantriebe.
Methoden
Durch eine geeignete Beeinflussung der Strömung kann eine verminderte Schallabstrahlung, Wirkungsgradverbesserungen und damit einhergehenden Treibstoffeinsparungen erreicht werden. Es können sowohl passive wie auch aktive Maßnahmen zur Beinflussung von Strömung und Schall verwendet werden. Bei aktiven Methoden wird durch Einbringen von Energie gezielt das Strömungs- oder Schallfeld geändert. Zur Beeinflussung können Ausblasung und Absaugung der Strömung sowie akustische Wandler eingesetzt. Passive Maßnahmen werden sowohl durch eine Gestaltung der überströmten Geometrie wie auch durch die Verwendung von Turbulatoren, Wirbelgeneratoren oder strukturierten Oberflächen wirksam.
Projekte und Anwendungen Aktive Methoden spielen in der Sekundärströmungsbeeinflussung an Verdichtergittern eine zunehmend wichtige Rolle. Hier wird die Strömungs-Absaugung in der Verdichterebene benutzt, um Effizienzsteigerungen für Strömungsmaschinen zu realisieren.
Ribletoberflächen stellen ein passives Mittel zur Strömungskontrolle dar. Diese mikroskopisch kleinen Rillenstrukturen sind Haifischschuppen schnellschwimmender Haie ähnlich und vermindern den Widerstand von turbulent überströmten Oberflächen. Diese Mikrostrukturen lassen sich im Berliner Ölkanal vermessen und optimieren.
Im Axialverdichterprüfstand wird durch Einblasen an der Schaufelspitze das Betriebsverhalten des Verdichters verbessert, was sich auch positiv auf das akustische Verhalten auswirkt. Ähnlich verhält sich die Ausblasung aus den Hinterkanten eines Rotors zur Auffüllung der Nachläufe. Durch die Verringerung von Inhomogenitäten im Strömungsfeld wird so der entstehende Schall am nachfolgenden Stator gemindert.
Zurückliegende Arbeiten
In früheren Untersuchungen wurden sogennante "Gurney Flaps" als Maßnahmen zur Steigerung des Hochauftriebs von Tragflächen untersucht. Hierbei handelt es sich um kleine, an der Tragflächenhinterkante befestigte Winkel. Die Untersuchungen im Windkanal wurden von analytischen und numerischen Arbeiten begleitet. Durch diese Arbeiten konnte gezeigt werden, dass mit der Verwendung dieser "Gurney Flaps" eine Gleitzahlsteigerung an Tragflächen möglich ist. In einer anderen Untersuchung wurde die Strömungsbeeinflussung mittels dem Vogel-Gefieder nachgeahmten Rückströmklappen auf Tragflügeln bearbeitet. Diese ebenfalls passive Maßnahme kann die Ablösungen auf Tragflügeln bei hohen Anstellwinkeln wirksam verzögern oder verhindern. In Flugversuchen konnte gezeigt werden, dass die Rückstromklappen an Flügeln hoher Streckung eine wirksame Maßnahme zur Verzögerung der Strömungsablösung bei höheren Anstellwinkeln darstellt.
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