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Spaltwirbel
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Rotor-Drehrichtung
(a) Geschwindigkeitsvektoren [1]
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Rotor-Vorderkante
(b) Visualisierung des Rotorspaltwirbels durch Stromlinien
Abbildung 4.1.: Strömung im Schaufelspalt und Rotorspitzenwirbel.
Schaufelsaugseite zu einem Wirbel aufrollt. In Abb. 4.1b wurde dieser Spitzenwirbel anhand
von Stromlinien visualisiert. Die Umfangskomponente der Trajektorie des Wirbelkerns verläuft
von der Saug- zur Druckseite der nachfolgenden Schaufel und ist damit engegengesetzt zur
Richtung der Querkanalströmung.
Qualitativ würden Spaltleckage und Spitzenwirbel auch in einer reibungsfreien Strömung entstehen.
Jedoch sind sowohl der Betrag des Spaltmassenstroms als auch die in der Schaufelpassage
entstehenden Verluste von viskosen Vorgängen dominiert [1]. Die der Spaltströmung
zugeordneten Phänomene haben einen signifikanten Anteil an der gesamten Verlust- und Blockageproduktion
der Schaufelreihe. Bei einer Vergrößerung des Rotorspaltes und einer damit
einhergehenden Erhöhung des Leckagemassenstromes sinken sowohl Wirkungsgrad als auch
Pumpgrenze. Auf den Beitrag des Spaltwirbels bei der Entstehung von Instabilitäten wird in
Abschnitt 5 näher eingegangen.
In subsonischen Verdichtern ändert sich sowohl der Punkt des Abrollens des Spitzenwirbels
von der Schaufelsaugseite als auch seine Trajektorie mit dem Drosselgrad. Im Gegensatz dazu
findet in transsonischen Verdichtern vor dem Auftreffen des Wirbels auf den Stoß nur eine
vergleichsweise geringe Änderung dieser Attribute statt [3]. Der Wirbel stellt eine Quelle instationärer
Strömung dar. Ihm kann, in Analogie zu den Wirbelpaaren an den Flügelspitzen
eines Flugzeuges, eine charakteristische Frequenz zugeordnet werden [4]. Hinweise auf durch
den Wirbel verursachte instationäre Stromungsvorgänge wurden in Niedergeschwindigkeits-
Forschungsverdichtern gefunden, aber auch in subsonischen und transsonischen Hochgeschwindigkeitsverdichtern
[5].
Unter der Wirkung der Druckgradienten innerhalb der Schaufelpassage kann der Wirbelkern
plötzlich seine Richtung und seinen Querschnitt ändern. In Verbindung mit dem Auftreten eines
Stagnationsgebietes in Verlängerung der ursprünglichen Wirbeltrajektorie wird ein solches Verhalten
als „Aufplatzen“ bzw. „Vortex Breakdown“ bezeichnet. Diesem Phänomen kann ebenfalls
eine charakteristische Frequenz zugeordnet werden. Wie in Abb. 4.2a gezeigt, sind von Deltaflügeln
im hier relevanten Reynoldszahlbereich zwei verschiedene Topologien aufgeplatzter
Wirbel bekannt: Blasenförmiges und spiralförmiges Aufplatzen. Schrapp konnte für einen Niedergeschwindigkeitsverdichter
die Existenz des spiralförmigen Aufplatzens des Spitzenwirbels
experimentell bestätigen [6]. Die zugehörige Strömungstopologie ist in Abb. 4.2b skizziert.
Eine numerische Studie von Yamada et al. weist auf die Existenz eines aufgeplatzten Wirbels
auch für den transsonischen NASA Rotor 37 hin [7]. Nahe des Wirkungsgradmaximums handelt
4.1. Spaltleckage und Spitzenwirbel 15