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Spiralförmiges Aufplatzen<br />
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✒<br />
Blasenförmiges Aufplatzen<br />
(a) Vortex Breakdown an einem Deltaflügel [11] (b) Vortex Breakdown im Verdichter [6]<br />
Abbildung 4.2.: Verschiedene Aspekte des Vortex Breakdown.<br />
es sich dabei um ein kleines Gebiet mit blasenförmigem Aufplatzen. Bei stationärer Berechnung<br />
des Strömungsfeldes trat das Aufplatzen nicht auf, sondern war aufgrund seiner geringen Größe<br />
und niedrigen Frequenz im Bereich von ca. 5 % der Blade Passing Frequency (BPF) nur in<br />
instationären CFD-Rechnungen mit einem verfeinerten Netz vorhanden. Beim Betrieb nahe der<br />
numerischen Stabilitätsgrenze jedoch trat direkt hinter dem Stoß spiralförmiges Aufplatzen auf.<br />
Es zeichnete sich durch eine erheblich größere Verlust- und Blockageproduktion sowie durch<br />
eine höhere Frequenz von etwa 50 % der BPF aus. In einem letzten Schritt wurde ein von Smart<br />
und Kalkhoran vorgestelltes analytisches Model zur Vorhersage des Wirbelaufplatzens als Folge<br />
der Interaktion mit einem senkrechten Stoß herangezogen [8]. Für den Betriebspunkt mit spiralförmig<br />
aufgeplatztem Wirbel zeigt das Modell einen kritischen Wert an, was die Relevanz der<br />
in transsonischen Verdichtern auftretenden Stoß-Wirbel-Interaktion verdeutlicht.<br />
Die Ergebnisse sind konsistent mit den Resultaten einer früheren Studie von Suder und<br />
Celestina [3]. Sie konnten für Rotor 37 sowohl numerisch als auch experimentell die Existenz<br />
eines Gebietes erhöhter Blockage und Druckverluste stromab der Interaktion von Wirbel und<br />
Stoßfront nachweisen. Zwar muss das Aufplatzen des Spitzenwirbels nicht in allen transsonischen<br />
Verdichtern direkt stromab des Verdichtungsstoßes erfolgen, sondern kann auch weiter<br />
stromab geschehen [9]. Der grundsätzliche Mechanismus, nämlich das Auftreten eines Stagnationsgebietes<br />
als Folge eines für den Wirbelkern nicht zu überwindenden statischen Druckanstieges,<br />
ist jedoch der gleiche. Lässt sich ein Aufplatzen verhindern, so zeigt der Verdichter<br />
erhöhte Wirkungsgrad- und Stabilitätswerte. Dies kann beispielsweise durch eine Pfeilung der<br />
Schaufel erreicht werden [9, 10].<br />
4.2 Dreidimensionale Ablösungen im Endwandbereich<br />
In Axialverdichtern kann sich im Eckbereich zwischen Endwand und Schaufelsaugseite ein Gebiet<br />
mit abgelöster Strömung bilden. Betroffen davon sind Rotornaben und die Endwände von<br />
Statoren ohne Schaufelspalt. Da sowohl Wandgrenzschicht als auch Schaufelgrenzschicht beteiligt<br />
sind und sich Form und Größe entlang der Hauptströmungsrichtung ändern, handelt es<br />
sich um ein vollständig dreidimensionales Phänomen. Ist die Eckenablösung klein, so wird sie<br />
auch als „Corner Separation“ bezeichnet. Wenn sie eine signifikante Größe relativ zur Kanalhöhe<br />
und Passagenbreite der betrachteten Schaufelreihe erreicht, so wird von „Corner Stall“<br />
gesprochen. Das entstandene Stagnations- bzw. Rückströmungsgebiet ist in diesem Fall für einen<br />
Großteil der gesamten Totaldruckverluste der Schaufelreihe verantwortlich und bewirkt<br />
16 4. Sekundärströmungen in Axialverdichtern