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Rotating Stall, in der Literatur auch als „Stall Inception“ bezeichnet, näher beleuchtet werden.
Die rotierenden Stallzellen können auf zwei verschiedenen Wegen entstehen. Die beiden Mechanismen
werden anhand ihrer charakteristischen Signaturen bei der zeitlich hochaufgelösten
Druckmessung als Moden bzw. Spikes bezeichnet. Während sich bei der Entstehung von Rotating
Stall über Moden bereits viele Rotorumdrehungen vor Erreichen der Stabilitätsgrenze
verschiedene langwellige Signale detektieren lassen, ist bei Spikes das charakteristische Längenmaß
wesentlich kleiner, womit sich eine stark verkürzte Zeit zwischen dem Auftreten des
ersten Spikes und dem Übergang ins rotierende Abreissen ergibt. Für den Fall der Moden trifft
das sogenannte Dunham-Kriterium zu: Instabilität tritt auf, wenn die Steigung der Drehzahlcharakteristik,
gebildet mit dem Druckverhältnis aus statischem Druck im Austritt und Totaldruck
im Eintritt, gleich Null ist. Spikes treten in der Regel vor Erreichen dieses Punktes auf. Der
Urspung der Spikes liegt in der Nähe des Gehäuses [26]. Vo et al. zeigten auf, dass die Spaltströmung
eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Spikes spielt [27]. Laut dieser Studie
müssen zwei Kriterien gleichzeitig erfüllt werden:
• Auftreffen der Spaltströmung auf die Vorderkante der nachfolgenden Schaufel, Umspülung
der Vorderkante unterhalb des Spaltes.
• Rückströmung der Spaltströmung an der Hinterkante und Auftreffen auf die Druckseite
einer nacheilenden Schaufel.
Die Spaltströmung muss dabei nicht notwendigerweise von der benachbarten Schaufel stammen,
sondern kann auch über mehrere Passagen hinweg transportiert werden. Solange nur
eines der beiden Kriterien erfüllt ist, kann der Verdichter noch stabil betrieben werden [28, 29].
Der Spaltwirbel ist bei der Entstehung von Spikes von hoher Relevanz. In transsonischen Rotoren
kann das Fluid am Übergang zwischen Zuströmung und Spaltströmung aufgrund der Interaktion
von Spitzenwirbel und Stoß einen sehr niedrigen Impuls haben [30]. Ein Aufplatzen
des Wirbels und die damit einhergehende Verschiebung des Spaltströmungsgebietes stromauf
wird ebenfalls mit der Entstehung von Rotating Stall in Verbindung gebracht [31, 32]. Zwar ist
auch in transsonischen Rotoren der Eintritt von Rotating Stall nicht immer auf ein Aufplatzen
des Wirbels zurückzuführen [33]. Geschieht dies jedoch, ist auch eine niedrigere Pumpgrenze
zu beobachten als ohne Aufplatzen [9]. Ferner gibt es Hinweise auf weitere Wirbelstrukturen,
die ebenfalls an der Entstehung von rotierendem Abreissen oder den bereits bei niedrigeren
Drosselgraden auftretenden rotierenden Instabilitäten beteiligt sein könnten [34–37].
Um das Auftreten aerodynamischer Instabilität vorhersagen zu können, wurden verschiedene
Methoden entwickelt. Darunter sind ein- oder mehrdimensionale analytische Modelle oder
auch überwiegend empirische Ansätze [5, 38, 39]. Obwohl damit für einen oder eine Familie
von Verdichtern eine durchaus akzeptable Vorhersagegenauigkeit demonstriert wurde, existiert
gegenwärtig keine allgemein anwendbare Methode. Die Stabilitätsvorhersage mit stationärer
RANS-CFD ist insbesondere bei mehrstufigen Verdichtern ebenfalls nicht zuverlässig [20]. Die
verbreitete Praxis, stationär und mit nur einer Passage pro Schaufelreihe zu rechnen, lässt eine
Simulation des instationären Verhaltens des Spitzenwirbels oder der Entstehung von Rotating
Stall nicht zu. Instationäre Vollkranz-Simulationen sind aufgrund ihres hohen Rechenzeitbedarfes
für Auslegungszwecke noch nicht verfügbar [40, 41]. Es gibt sogar Vermutungen, dass
RANS-CFD prinzipiell nicht in der Lage ist, die für das Entstehen von Rotating Stall relevanten
Vorgänge mit adequater Genauigkeit darzustellen [29]. Trotz der genannten Schwierigkeiten ist
eine Abschätzung des Arbeitsbereiches für die Auslegung eines neuen Verdichters unabdingbar.
Die hier genutzten Methoden sind in den Kapiteln 8 und 10.1.1 beschrieben.
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