Rotierende Instabilitäten in Axialverdich­tern

Untersuchung des Entstehungsmechanismus im stehenden und rotierenden Schaufelgitter

Rotierende Instabilitäten (RI) können in Axialverdichtern und anderen Turbomaschinenbauarten bereits im stabilen Betriebsbereich auftreten. Sie sind verantwortlich für die Anregung von Schaufelschwingungen sowie Lärmerzeugung und sind deshalb grundsätzlich zu vermeiden. Voraussetzung für deren Auftreten ist oftmals eine große Radialspaltweite oder starke Fehlanströmung der Beschaufelung. RI sind verbunden mit umlaufenden Strömungsmustern mit zeitlicher und räumlicher Schwankung. Zum Entstehungsmechanismus von RI existieren verschiedene Erklärungsansätze. Eine Hypothese besteht darin, dass Scherschichtinstabilitäten (SSI), die in relativ zueinander bewegten Fluidschichten entstehen und durch kleine Störungen instabil werden können, ursächlich für RI sind. 

Ziel des Vorhabens ist die Verbesserung des Verständnisses des physikalischen Entstehungs­mechanismus und der Wirkungsweise von RI in Axialverdichtern. Die Hypothese der SSI als Ursache von RI soll anhand von Experimenten sowie CFD-Simulationen im unbeschaufelten Kanal, im nichtrotierenden geraden Verdichtergitter und schließlich in der Laufschaufelreihe eines großskaligen Axialverdichters grundlegend untersucht werden. Durch verschiedene Parametervariationen, wie der Seitenwandspaltweite und der Inzidenz, sollen die Strömungsinstabilitäten gezielt ausgelöst werden.  Weiterhin sollen durch Coandă-Düsen instabile Scherschichten erzeugt werden und deren Auswirkung auf umlaufende Strömungsmuster untersucht werden.

Im Mittelpunkt der detaillierten experimentellen und numerischen Untersuchungen stehen die Entwicklung von Modellvorstellungen zur Entstehung und Ausprägung von RI sowie die Übertragbarkeit der Erkenntnisse von vereinfachten Versuchsaufbauten zur rotierenden Maschine.  Für die verschiedenen Konfigurationen soll ermittelt werden, bei Kombination welcher Randbedingungen SSI auftreten und ob dadurch RI ausgelöst werden. Damit soll ein erster Schritt für die Ableitung allgemein gültiger Kriterien vollzogen werden, mit dem Ziel, künftig eine Vorhersage und Vermeidung von RI in Turbomaschinen zu ermöglichen und damit einen Beitrag zu deren Betriebssicherheit zu leisten.