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Erklärung zur Dissertation Hiermit versichere ich, die vorliegende Dissertation ohne Hilfe Dritter nur mit den angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Alle Stellen, die aus Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen. Darmstadt, den 11. Juli 2013 (Dipl.-Ing. F. Heinichen) 2
Zusammenfassung Um der Forderung nach Flugtriebwerken mit niedrigerem Treibstoffverbrauch kurz- oder mittelfristig zu genügen, müssen die einzelnen Triebwerkskomponenten über das aktuell erreichte Niveau hinaus verbessert werden. So soll der Wirkungsgrad des Verdichtermoduls steigen und gleichzeitig einen für den sicheren Betrieb der Maschine ausreichenden stabilen Arbeitsbereich aufweisen. Ein wichtiger Weg zum Erreichen dieses Ziels führt über die Kontrolle der verschiedenen Sekundärströmungsphänomene. Zusätzlich zu den diesem Zweck dienenden, bereits etablierten Technologien befinden sich aktuell diverse aktive und passive Methoden in der Entwicklung. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei verschiedene passive Methoden, welche als Modifikation der Naben- und Gehäusewände klassifiziert werden können. Verschiedene Axialverdichter wurden mit nicht-achsensymmetrischer Endwandkonturierung sowie Gehäusestrukturierung ausgestattet, um ihre aerodynamischen Leistungsparameter zu verbessern. Der Großteil der Ergebnisse beruht auf 3D-CFD-Simulationen. Zu Validierungszwecken wurden zusätzlich experimentelle Resultate herangezogen. Für die nicht-achsensymmetrische Endwandkonturierung wurde ein halbautomatischer Auslegungsprozess entwickelt. Er wurde dazu genutzt, die Rotornabe sowie Nabe und Gehäuse des Stators eines 1,5-stufigen transsonischen Forschungsverdichters zu konturieren. Zusätzlich wurde die Statornabe eines zweistufigen Niedergeschwindigkeitsverdichters konturiert, um das Verbesserungspotenzial unter der Einwirkung von Deckbandleckage zu untersuchen. Es konnte numerisch demonstriert werden, dass sich durch eine Konturierung die Querkanalströmung so beeinflussen lässt, dass die lokalen Totaldruckverluste sinken und die Umlenkung verbessert wird. Der Betrag dieser Verbesserungen war signifikant erhöht, wenn die Referenzvariante mit achsensymmetrischen Annuluswänden ein Rezirkulationsgebiet nahe der zu konturierenden Endwand aufwies. In diesem Fall konnte der polytrope Stufenwirkungsgrad um mehr als ein Prozent gesteigert werden. Für den Fall eines Stators ohne relevantes Rezirkulationsgebiet wurden sowohl Schaufel- als auch Endwandgeometrie modifiziert, was zu einer Wirkungsgradsteigerung von 0,3 % führte. Aufgrund des geringen benötigten Bauraums und der einfachen Geometrie wurde die Gehäusestrukturierung als einzelne Umfangsnut ausgeführt. Die Gehäusestrukturierung wurde auf den Rotor des 1,5-stufigen Forschungsverdichters sowie zwei weiteren transsonischen Verdichterrotoren appliziert. In allen Fällen wurde ein verbesserter Arbeitsbereich bei konstantem oder verbessertem Wirkungsgrad beobachtet. Die weitere Analyse zeigte, dass dies über eine Beeinflussung der Interaktion zwischen dem Rotorspaltwirbel und dem Stoß erreicht wurde. Die der Umfangsnut zuzuordnenden Verbesserungen waren um so höher, je größer der Anteil dieser Stoß-Wirbel-Interaktion am aerodynamischen Instabilitätsmechanismus des jeweiligen Rotors war. 3
Seite 1 und 2: Passive Kontrolle der wandnahen Str
Seite 3: Danksagung Auch wenn nur ein Name a
Seite 7 und 8: 9. Experimentelle Methoden 44 9.1.
Seite 9 und 10: 1 Nomenklatur Abkürzungen und Para
Seite 11 und 12: Teil I. Einleitung 9
Seite 13 und 14: des Strömungsfeldes mit einem Opti
Seite 15 und 16: Teil II. Grundlagen 13
Seite 17 und 18: Spaltwirbel ❅ ❅❘ Rotor-Drehri
Seite 19 und 20: (a) Topologie auf der Schaufelsaugs
Seite 21 und 22: Rotating Stall, in der Literatur au
Seite 23 und 24: vielen Jahren im Einsatz und neben
Seite 25 und 26: (a) Axialturbinenrotor [47] (b) Lin
Seite 27 und 28: erfolgreiche Auslegung der Konturie
Seite 29 und 30: dieser Eigenschaft vorgestellt. Dar
Seite 31 und 32: CT ❅❅❘ CT Gehäuse Rotor-Dreh
Seite 33 und 34: Die Entnahmestelle über dem Rotor
Seite 35 und 36: zum optimalen Wert. Es kann ledigli
Seite 37 und 38: 16.0 0.30 Umfangsdiskret Umfangssym
Seite 39 und 40: Teil III. Methoden 37
Seite 41 und 42: ziert werden. Entweder kann der mas
Seite 43 und 44: Druckseite Saugseite X star t X 1 X
Seite 45 und 46: Während der Optimierung wurden ver
Seite 47 und 48: P t P t P s P t P s T t T t 2 P s 3
Seite 49 und 50: 10 Verdichter Zusätzlich zu dem im
Seite 51 und 52: 1.0% η p Experiment, T t Experimen
Seite 53 und 54: (a) Experiment, Messrechen 1 (b) Ex
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Teil IV. Nicht-achsensymmetrische E
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η p,NS 0.05% 0.05% η p,DP Konturi
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Referenz Konturierung + Rotor-Modif
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12 Statoren Wie die Literaturübers
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Referenz Mit Konturierung Referenz
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Referenz, kleinster Spalt Referenz,
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13 Zusammenfassung 3D-Konturierung
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Norm. Entropie 1.06 1.04 1.02 (a) O
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1.0% η p 1.05 1 Ohne CT Mit CT Π
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η p Ohne CT, PT1 Mit CT, PT2 Mit C
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17 Zusammenfassung Gehäusestruktur
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Teil VI. Fazit 95
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nen Einschränkungen, die Skalierba
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[14] A. Demargne and J. Longley. Th
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[43] V. Gümmer, U. Wenger, and H.-
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[67] G. Endicott, T. Sonoda, M. Olh
Seite 107 und 108:
[93] L. Bo, W. Qingwei, and C. Yuny
Seite 109 und 110:
[119] N. Gourdain and F. Leboeuf. U
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[145] G. Legras, N. Gourdain, I. Tr
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[171] S. Shahpar and L. Lapworth. P
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[197] T. Praisner, E. Allen-Bradley
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Teil VII. Appendix 115
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Kaskaden- und Versuchsturbinenergeb
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B Berechnung der relativen CT-Grö
Seite 123 und 124:
D Parameter der CFD-Rechennetze 1,5
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