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erreich werden können, wie Abb. 7.5d verdeutlicht. In der Mehrzahl der Fälle wurden diese
Bereiche maximaler Stabilität (mit Beträgen größer 30 % für umfangssymmetrische und größer
40 % für umfangsdiskrete CT) allerdings nur mit einer Wirkungsgradeinbuße erreicht. In
Abb. 7.5d ist ein weiterer für die Anwendung im realen Triebwerk relevanter Parameter gezeigt,
die auf den Bauraum der Strukturierung bezogene Stabilitätserweiterung. Eine genauere
Beschreibung dieses Parameters ist in Appendix B gegeben. Generell besteht hier zwischen umfangsdiskreten
und umfangssymmetrischen CT kein signifikanter Unterschied, da die höhere
Pumpgrenzerweiterung der umfangsdiskreten Typen durch einen ebenfalls höheren Platzbedarf
aufgewogen wird. Auffallend sind jedoch die beiden höchsten Werte, die von einzelnen Umfangsnuten
stammen. Diese Charakteristik macht die einzelne Umfangsnut attraktiv aus nicht
rein aerodynamischer Sicht, da sich durch den kleinen benötigten Bauraum die Integration in
das Verdichtergehäuse vereinfacht.
Die Detailauslegung der CT-Geometrie erfolgt üblicherweise nach der Auslegung des Verdichters.
Gleichzeitige Variation der CT- und Rotorgeometrie oder Nutzung von automatischen Optimierungsalgorithmen
sind aktuell noch als Ausnahmen zu bezeichnen [156, 157]. Zwar gibt
es einige Ansätze, um mit Hilfe von analytischen Modellen [168], vereinfachten CFD-Modellen
[139] oder mit aus der CFD-Lösung abgeleiteten Metamodellen [158] schnell zu akzeptablen
Geometrien zu gelangen. Die derzeitige Standard-Methode besteht jedoch aus der vollständigen
Vernetzung von Rotor und Gehäusestrukturierung und Nachrechnung mittels RANS-CFD.
Umfangssymmetrische Bauformen können dabei stationär und mit nur einer Rotorpassage modelliert
werden. Bei umfangsdiskreten Typen sind instationäre Modelle notwendig, die aufgrund
der Teilungsverhältnisse zwischen Rotor und CT eventuell mehrere Schaufelpassagen enthalten
müssen.
Bei der Interpretation der numerischen Ergebnisse muss mit äußerster Vorsicht vorgegangen
werden. Die bereits in Kapitel 5 genannten Schwächen von RANS-CFD bei der Vorhersage der
Lage der Pumpgrenze gelten auch mit Gehäusestrukturierung. Der Betrag der Pumpgrenzerweiterung
durch die Strukturierung kann nicht sicher vorhergesagt werden [164]. Der Betrag der
Wirkungsgradänderung unterliegt ebenfalls einer gewissen Vorhersageungenauigkeit, und zwar
auch das Vorzeichen betreffend: In 25 % der gesichteten Veröffentlichungen mit sowohl experimentellen
als auch numerischen Daten wurde die Richtung der Wirkungsgradänderung falsch
vorhergesagt.
Bei einer völligen Neuauslegung von Verdichter und CT lässt sich daher das Vertrauen in die
Vorhersagegenauigkeit nur erhöhen, indem sowohl Strömungslöser als auch Modellierungsstrategie
von einem möglichst ähnlichen Vorgängerprojekt übernommen werden, für das eine
erfolgreiche experimentelle Validierung vorliegt. Weiterhin kann es hilfreich sein, anstatt der
numerischen Pumpgrenzänderung andere Parameter wie die Stärke des Spaltwirbels, den Gradienten
der Charakteristik und Änderungen von Blockageaufbau, Inzidenzwinkel, Totaldruckverlust
oder Diffusionszahl im Bereich der Rotorspitze zu betrachten. Wie bei der Auslegung
von Verdichtern insgesamt variieren jedoch die Strategien, so dass hier keine allgemein gültigen
Richtlinien angegeben werden können.
36 7. Stand der Forschung