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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.
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