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Referenz
Konturierung + Rotor-Modifikation
0.05
ξ
0% 20% 40% 60% 80% 100%
H
Abbildung 11.5.: Radiale Verteilung der Rotor-Totaldruckverluste im Auslegungspunkt
zuordnendes Fluid erst später auf die Saugseite der benachbarten Schaufel auftrifft. Während
dies bei der Referenz ab etwa zwei Dritteln der Sehnenlänge der Fall ist, lässt sich mit Konturierung
eine Verschiebung des Auftreffpunktes bis fast an die Hinterkante beobachten. Das Ausmaß
der Interaktion zwischen diesem Teil der Nabengrenzschicht und der Schaufelgrenzschicht wird
somit verringert.
Ein Vergleich zwischen den radialen Totaldruckverlustverteilungen der beiden Varianten ist in
Abb. 11.5 gegeben. Die jeweiligen Betriebspunkte sind identisch zu denen in Abb. 11.6. Die
durch die Konturierung bewirkte Veränderung beschränkt sich auf den Bereich unterhalb von
30 % der Kanalhöhe. Dieser lässt sich in zwei weitere Unterbereiche aufteilen. Einem Gebiet
mit reduzierten Totaldruckverlusten im Bereich von 5 % bis 30 % der Kanalhöhe steht eine Zone
mit erhöhten Verlusten in unmittelbarer Nähe zur Nabe gegenüber. In der massengemittelten
Betrachtung ergibt sich für das durch die Konturierung beeinflusste Gebiet und demzufolge für
den gesamten Rotor eine Verlustreduktion. Diese radiale Umverteilung von Verlusten wurde
ebenfalls von Reising beobachtet [86]. Die Kaskadenuntersuchungen von Hergt et al weisen
ebenfalls darauf hin, dass die durch die Konturierung bewirkte radiale Umverteilung eine lokale
Erhöhung der Druckverluste mit sich bringen kann [74]. Ein weiterer Grund für die geringe
Höhe der erreichten Wirkungsgradsteigerungen wird ebenfalls aus Abb. 11.5 deutlich. Sowohl
mit als auch ohne Konturierung ist der mittlere Betrag der Totaldruckverluste auf den untersten
20 % der Kanalhöhe klein gegenüber dem auf den obersten 20 %. Zusätzlich fällt durch die
radiale Massenmittelung der Bereich an der Spitze aufgrund des höheren Massendurchsatzes
stärker ins Gewicht als die unteren Kanalhöhen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sekundärströmung an der Rotornabe durch nichtachsensymmetrische
Annuluskonturierung in vorteilhafter Weise beeinflussbar ist. Im vorliegenden
Fall fiel die erreichte Steigerung des Wirkungsgrades allerdings gering aus. Dies ist einer
Kombination aus der Verwendung eines Rotors mit relativ geringen Druckverlusten im Nabenbereich
und der geforderten konstanten Stabilitätsgrenze geschuldet. Es ist jedoch wahrscheinlich,
dass die Verbesserungen höher ausfallen, wenn die Schaufelspitze des zu konturierenden Rotors
weniger sensitiv auf Blockageänderungen an der Nabe reagiert oder der Nabenbereich einen
stärkeren Anteil an den Gesamtverlusten der Schaufelreihe hat. Diese These stellt einen Ansatzpunkt
für weiterführende Studien dar.
11.2. Anwendung in Kombination mit Schaufelmodifikation 63