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Daniel Möller
Zum aerodynamischen und aeroelastischen Verhalten des Axialverdichters an der Stallgrenze
Der Verdichter spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Triebwerke. Aufgrund hoher aerodynamischer Belastung, starken Sekundärströmungen und hoher Schwingungsanfälligkeit steigt die Schwierigkeit Verdichter zu entwickeln, welche eine hohe aerodynamische Stabilität und niedrige Schaufelschwingungen aufweisen. Insbesondere für den Bereich nahe der Stallgrenze sind die wesentlichen aerodynamischen und aeroelastischen Effekte nicht ausreichend verstanden und Gegenstand aktueller Forschung.
Aus diesem Grund wird das aerodynamische und aeroelastische Verhalten eines triebwerksnahen Transonikverdichters in der vorliegenden Arbeit numerisch untersucht. Die Simulationen wurden für den Transonikverdichter der TU Darmstadt durchgeführt und zwei verschiedene, für die Triebwerksanwendung entwickelte, Strömungslöser wurden eingesetzt. Eine Validierung mittels Messdaten zeigt eine gute Übereinstimmung. Die Simulationen ermöglichen eine detaillierte Strömungsanalyse bei Stalleintritt und beim Auftreten von asynchronen Schaufelschwingungen (NSV) an Betriebspunkten nahe der Stallgrenze.
Beim Stalleintritt treten an der Rotorspitze Fluktuationen der Scherschicht zwischen der eintretenden Hauptströmung und einem, von der Spaltströmung verursachten, Blockagegebiet in der Passage auf. Durch die Scherschichtfluktuation bilden sich Wirbelstrukturen, sowie Hoch- und Tiefdruckgebiete, welche im Rotor-Relativsystem entgegen der Drehrichtung umlaufen. Die Scherschichtfluktuationen können ebenfalls bereits vor Stallbeginn, an aerodynamisch stabilen Betriebspunkten, auftreten. Die Struktur der Fluktuationen ist in diesem Fall sehr ähnlich zum Stalleintritt. Die umlaufenden Hoch- und Tiefdruckgebiete führen zu einer instationären Schaufelkraft, wodurch NSV im Rotor angeregt werden kann. Trotz des komplexen dreidimensionalen Strömungsfeldes an der Rotorspitze, können die Scherschichtfluktuationen bei Stalleintritt und NSV mit den grundlegenden, strömungsmechanischen Zusammenhängen zur Kelvin-Helmholtz-Instabilität erklärt werden.
Anhand von Parametervariationen wird in dieser Arbeit gezeigt, dass insbesondere die radiale Verteilung der aerodynamischen Belastung einen entscheidenden Einfluss auf die Art des Stalleintritts und das Auftreten von NSV vor Erreichen der Stallgrenze hat. Des Weiteren werden globale Tendenzen zur Geschwindigkeit und Anzahl der Fluktuationszellen beim Auftreten von NSV beobachtet. Diese Erkenntnisse können in der Auslegung moderner Verdichterstufen Anwendung finden.
Aus diesem Grund wird das aerodynamische und aeroelastische Verhalten eines triebwerksnahen Transonikverdichters in der vorliegenden Arbeit numerisch untersucht. Die Simulationen wurden für den Transonikverdichter der TU Darmstadt durchgeführt und zwei verschiedene, für die Triebwerksanwendung entwickelte, Strömungslöser wurden eingesetzt. Eine Validierung mittels Messdaten zeigt eine gute Übereinstimmung. Die Simulationen ermöglichen eine detaillierte Strömungsanalyse bei Stalleintritt und beim Auftreten von asynchronen Schaufelschwingungen (NSV) an Betriebspunkten nahe der Stallgrenze.
Beim Stalleintritt treten an der Rotorspitze Fluktuationen der Scherschicht zwischen der eintretenden Hauptströmung und einem, von der Spaltströmung verursachten, Blockagegebiet in der Passage auf. Durch die Scherschichtfluktuation bilden sich Wirbelstrukturen, sowie Hoch- und Tiefdruckgebiete, welche im Rotor-Relativsystem entgegen der Drehrichtung umlaufen. Die Scherschichtfluktuationen können ebenfalls bereits vor Stallbeginn, an aerodynamisch stabilen Betriebspunkten, auftreten. Die Struktur der Fluktuationen ist in diesem Fall sehr ähnlich zum Stalleintritt. Die umlaufenden Hoch- und Tiefdruckgebiete führen zu einer instationären Schaufelkraft, wodurch NSV im Rotor angeregt werden kann. Trotz des komplexen dreidimensionalen Strömungsfeldes an der Rotorspitze, können die Scherschichtfluktuationen bei Stalleintritt und NSV mit den grundlegenden, strömungsmechanischen Zusammenhängen zur Kelvin-Helmholtz-Instabilität erklärt werden.
Anhand von Parametervariationen wird in dieser Arbeit gezeigt, dass insbesondere die radiale Verteilung der aerodynamischen Belastung einen entscheidenden Einfluss auf die Art des Stalleintritts und das Auftreten von NSV vor Erreichen der Stallgrenze hat. Des Weiteren werden globale Tendenzen zur Geschwindigkeit und Anzahl der Fluktuationszellen beim Auftreten von NSV beobachtet. Diese Erkenntnisse können in der Auslegung moderner Verdichterstufen Anwendung finden.
Schlagwörter: Flugantriebe; Verdichter; Gasturbinen; Turbomaschinen; Aerodynamik; Aeroelastik; Strömungsmechanik; Strömungssimulation; CFD; Fluid-Struktur-Interaktion
Forschungsberichte aus dem Institut für Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. H.-P. Schiffer, Darmstadt
Band 12
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