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4 Sekundärströmungen in Axialverdichtern
In der vorliegenden Arbeit werden alle Strömungsphänomene als Sekundärströmungen bezeichnet,
die in einer isolierten, linearen Kaskade mit unendlicher Streckung nicht auftreten würden.
Sie sind unter anderem deswegen für die aerodynamische Auslegung von Axialverdichtern relevant,
weil ihnen ein Großteil der auftretenden Totaldruckverluste zugeordnet werden können
[1]. Zusätzlich spielen sie eine Rolle bei der Entstehung von Instabilitäten, welche die Grenze
des nutzbaren Arbeitsbereiches markieren. Obwohl überwiegend viskose Effekte im Endwandbereich
von Verdichtern in diese Kategorie fallen, genügen auch einige reibungsfreie sowie die
gesamte Kanalhöhe betreffende Effekte der obigen Definition und sollen daher an dieser Stelle
ebenfalls erwähnt werden. Zu den in Axialverdichtern vorhandenen Sekundärströmungen
zählen
• Der oder die Hufeisenwirbel, welche sich durch das Aufrollen der Wandgrenzschicht an
der Schaufelvorderkante bilden
• Die durch die Wirkung des statischen Druckgradienten zwischen Druck- und Saugseite der
Schaufel auf die Wandgrenschicht entstehende Querkanalströmung
• Die durch die Wirkung des statischen Druckgradienten zwischen Nabe und Gehäuse auf
die Schaufelgrenzschicht entstehende radiale Sekundärströmung
• Die durch die Nachläufe der stromauf liegenden Schaufelreihe verursachten Mischungsvorgänge
sowie die ebenfalls durch sie verursachte zeitliche Variation der Zuströmung
• Durch die Über- oder Minderumlenkung der stromauf liegenden Schaufelreihe in Wandnähe
entstehende Inzidenzänderungen
• Spalt- und Leckageströmungen sowie die Wirbel, welche an Schaufelenden mit Spalt oder
Teilspalt entstehen
Der an der Rotorspitze entstehende Wirbel ist für diese Arbeit von besonderem Interesse. Er
soll daher in Abschnitt 4.1 genauer betrachtet werden. Ebenfalls relevant sind dreidimensionale
Ablösungen im Endwandbereich, welche in Abschnitt 4.2 eingehend beschrieben sind.
4.1 Spaltleckage und Spitzenwirbel
Getrieben durch den statischen Druckgradienten zwischen Druck- und Saugseite sowie durch
die Relativbewegung zwischen Rotor und Gehäuse bildet sich an der Rotorspitze und an freien
Schaufelenden von Statoren eine Leckageströmung durch den Schaufelspalt aus, wie in Abb.
4.1a skizziert. Bei Rotoren entsteht durch die lokal stromauf gerichtete Spaltströmung bei der
zeitgemittelten Betrachtung im Absolutsystem eine Strömungstopologie, die einem Ablösen der
Wandgrenzschicht gleicht, welche sich erst stromab der Hinterkante wieder an das Gehäuse anlegt
[2]. Im Relativsystem jedoch kann beobachtet werden, dass sich der Leckagestrom an der
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