Download (9Mb) - tuprints

7.2 Gehäusestrukturierung
Die Verwendung von Gehäusestrukturierungen (Englisch: Casing Treatments; im Folgenden
wird auch die gebräuchlichste Abkürzung CT verwendet) ist, wie bereits in Abschnitt 6.1 erwähnt,
eine passive Maßnahme zur Beeinflussung der wandnahen Strömung im Schaufelspitzenbereich
von Turboverdichtern. Gehäusestrukturierungen werden in erster Linie zur Erweiterung
des nutzbaren Verdichterarbeitsbereiches eingesetzt. Sie sind in der Lage, die Stabilitätsgrenze
signifikant hin zu kleineren Massenströmen und größeren Druckverhältnissen zu
verschieben und bewirken darüber hinaus eine Desensibilisierung der Rotorströmung bezüglich
des Schaufelspitzenspaltes. Die Strukturierungen bestehen aus Nuten, Schlitzen oder Kanälen
im Verdichtergehäuse und sind in der Regel in der Nähe oder über der Rotorschaufelspitze positioniert.
Anwendungen im Nabenbereich von deckbandlosen Statoren sind auch bekannt, aber
wesentlich weniger verbreitet. Der Einsatz von Gehäusestrukturierungen ist nicht auf Axialverdichter
beschränkt. Es ist ebenso möglich, Gebläse von Lüftern mit CT auszustatten [89]. Dort
wird die Bezeichnung „Anti-Stall Stabilisation Ring“ verwendet. Anwendungen in Radialverdichtern
sind auch bekannt [90–97].
Grundsätzlich können Gehäusestrukturierungen als eine spezielle Form der Endwandkonturierung
gesehen werden. Die Beiträge von Kröger [71] sowie Ito et al. [98] verdeutlichen, dass
die sprachliche Trennung zwischen Gehäusekonturierung und -strukturierung eher historisch
als physikalisch begründet ist. Um dennoch eine gewisse Orientierung zu bieten soll in der vorliegenden
Arbeit die folgende Abgrenzung verwendet werden: Ist im modifizierten Endwandbereich
ein Schaufelspalt vorhanden, spricht man von einer Gehäusestrukturierung, ohne Spalt
von Endwandkonturierung. Diese Definition greift einerseits den grundlegenden Unterschied in
der Geometrie und Topologie der zu beeinflussenden Sekundärströmung auf und ist andererseits
konsistent mit der überwiegenden Mehrheit der vorhandenen Literatur.
Der stabilisierende Effekt von Gehäusestrukturierungen ist bereits seit vielen Dekaden bekannt,
entsprechend umfangreich ist die veröffentlichte Literatur zu diesem Thema. Aus Platzgründen
und weil sich auch so ein repräsentativer Überblick über die relevanten Aspekte geben lässt,
soll an dieser Stelle ein Fokus auf die Entwicklungen des letzten Jahrzehnts gelegt werden. Für
einen umfangreichen Überblick über die geschichtliche Entwicklung in der übrigen Zeit sowie
einige detailliertere Ausführungen zur Wirkungsweise und Anwendung von Gehäusestrukturierungen
sei auf den Beitrag von Hathaway verwiesen [99].
Trotz der vielen Untersuchungen zum Thema sind nur wenige Anwendungen in Produktionstriebwerken
bekannt. Zwei Beispiele sind der mit Umfangsnuten ausgestattete Fan des EJ200
und der TP400-Mitteldruckverdichter mit umfangsdiskretem CT. Dies lässt sich zum Einen mit
einem nach wie vor vorhandenen Forschungsbedarf im Bereich der Verdichterinstabilität und
deren Kontrolle, zum Anderen mit dem teilweise signifikanten negativen Einfluss auf den aerodynamischen
Wirkungsgrad des Verdichters erklären. Diese Wirkungsgradeinbuße würde für ein
Serientriebwerk nur dann in Kauf genommen werden, wenn der Verdichter eine inakzeptabel
niedrige Pumpgrenze aufweist und sich die Stabilität nicht durch andere wirkungsgradneutrale
Maßnahmen steigern lässt. Ansonsten können CT als indirekte Methode zur Verbesserung des
Verdichtungssystems auch aus nicht ausschließlich aerodnynamischer Sicht attraktiv sein, wenn
beispielsweise auf variable Statoren verzichtet werden oder ein anderes Verstellgesetz gewählt
werden kann. Die Literaturübersicht in diesem Kapitel zeigt weiterhin, dass die empirische Annahme
von 0,1 % Wirkungsgradverlust für jedes Prozent Verringerung des Massenstromes an
28 7. Stand der Forschung