Spalt und Seitenwandge­staltung bei verstellbaren Leitschaufeln in Axialverdich­tern

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Marcel Gottschall
Wissenschaftliche Kooperation:	-
Finanzierung:	Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
Laufzeit:	02/08 - 01/11, Erweiterung 02/11 - 01/13
Förderkennzeichen:	VO 820/4-1 bzw. VO 820/4-2

Beschreibung:

Die Forderung für moderne Strahlantriebe nach höherer Leistung bei gleichzeitiger Massenreduktion und geringeren Abmessungen führt zu steigenden Belastungen in den einzelnen Komponenten des Triebwerks. Probleme treten insbesondere durch den Anspruch eines möglichst breiten Betriebsbereichs der Maschine hervor.

Dabei muss speziell der Verdichter aufgrund seiner unnatürlichen Arbeitsweise von niedrigem zu hohem Druck besondere Beachtung erfahren. Entwicklungen und Erkenntnisse aus dem Betrieb vergangener Jahre haben gezeigt, dass hier verschiedene zusätzliche Maßnahmen notwendig sind, um den stabilen Betrieb über einen großen Arbeitsbereich, also einem breiten Drehzahlband, zu gewährleisten.

Um den Strömungsabriss bei Drehzahlen außerhalb des Auslegungspunktes zu verhindern, werden zur Anpassung der Geschwindigkeitsdreiecke an die sich ändernde Axialgeschwindigkeit die Leitschaufeln der vorderen vier bis fünf Stufen im Hochdruckverdichter verstellbar ausgeführt. Infolge der dort vorhandenen komplexen Kanalgeometrie durch Einschnürung und Rotationssymmetrie entstehen bei der Schaufelverstellung, abhängig von der Staffelung, Radialspalte mit schädlichen Spaltströmungen.

Die Spaltströmungen im Radialspaltbereich dieser Statoren spielen durch die stetige Verbesserung der übrigen Aerodynamik der Hauptströmung eine immer größere Rolle. Zur Verbesserung des generellen Verständnisses dieser komplexen Strömung soll der Einfluss auf die Sekundärströmung an einem skalierten, ebenen Verdichtergitter generisch untersucht und deren Auswirkungen auf globale Charakteristiken wie Gitterumlenkung, Gitterverzögerung, Gitterverlust und Wirbelintensität beschrieben werden.

Um diese Einflüsse zu charakterisieren und qualitativ zu bewerten, werden Versuche bei variabler Spaltgeometrie an einem ebenen Gitter, die die Erprobung verschiedener Seitenwandkonturierungen zur Spaltminimierung der realen Maschine beinhalten, durchgeführt. Die schematischen Abbildungen veranschaulichen die Herangehensweise.

Dabei werden zunächst mittels stationärer pneumatischer Messungen verlustoptimierte Konfigurationen von Spaltposition und -größe sowie Seitenwandkontur ausgewählt. Deren Strömungsfeld wird im Anschluss durch instationäre Techniken und bildgebende Verfahren detaillierter untersucht, um die Entwicklung und Interaktion der verschiedenen Sekundärströmungen zu verstehen. 

Parallel zu den Experimenten wird die Cascade mit verschiedenen Spalttopologien numerisch simuliert. Mithilfe dieser kann das numerische Modell verbessert und angepasst werden und so weitere Variationen der Geometrie sowie Untersuchungen zur Übertragbarkeit kostengünstig und schnell berechnet und die Zahl aufwendiger Versuche minimiert werden.