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Referenz, kleinster Spalt
Referenz, mittlerer Spalt
Referenz, größter Spalt
Mit Konturierung, kleinster Spalt
Mit Konturierung, mittlerer Spalt
Mit Konturierung, größter Spalt
0.05
ξ
0% 20% 40% 60% 80% 100%
H
Abbildung 12.14.: Totaldruckverlust des Stators mit und ohne Konturierung für verschiedene
Dichtspitzenspalte in der Deckbandkavität
namische Robustheit der durch die Konturierung bewirkten Verbesserungen zu gewinnen. Ein
erster Überblick über die Ergebnisse der zusätzlichen Simulationen kann aus Abb. 12.14 gewonnen
werden. Der Graph zeigt radiale Verteilungen des Totaldruckverlustkoeffizienten im Stator
der ersten Stufe für alle untersuchten Konfigurationen des mehrstufigen Niedergeschwindigkeitsverdichters.
Der Betriebspunkt liegt jeweils auf der Arbeitslinie. Beim höchsten Wert der
Dichtspitzenspalte wurde der Druckverlust auf den unteren 40 % der Schaufelhöhe durch die
Nabenkonturierung signifikant reduziert. Dies ist konsistent zu den bereits diskutierten Wirkungsgradsteigerungen
und Drallwinkeländerungen. Mit geringerer Spalthöhe sinken die an
der Nabe entstehenden Verluste, und zwar sowohl für die Referenz als auch für den konturierten
Stator. Dies ist eine Folge der reduzierten Deckbandleckage, welche bei verkleinerten
Spalten die Nabengrenzschicht in geringerem Umfang stört. Allerdings ist die Verlustreduktion
bei den beiden Statorvarianten nicht gleich. Bei mittlerer Spalthöhe zeigt die konturierte Variante
eine geringere Verlustreduktion gegenüber der Referenz als dies beim höchsten Spaltwert
der Fall war. Beim geringsten Wert der Dichspitzenspalte ist mit Konturierung sogar eine Verluststeigerung
zwischen 0 % und 30 % der Schaufelhöhe zu erkennen.
Es könnte nun zwar argumentiert werden, dass diese durch die Konturierung verursachte
Verluststeigerung durch eine Einbeziehung des Falles mit vermindertem Dichtspitzenspalt in
den Auslegungsprozess wahrscheinlich hätte verhindert werden können. Die hier gemachte
Beobachtung demonstriert jedoch auch ein weiteres mal die zentrale Eigenschaft nichtachsensymmetrischer
Annuluskonturierung, nämlich die Unterdrückung wandnaher Rückströmgebiete.
Wenn, wie im Fall des Referenzstators mit der geringsten Spaltweite, nur ein
geringes Verbesserungspotenzial in Form eines Rezirkulationsgebietes zur Verfügung steht, ist
die durch eine Konturierung maximal erreichbare Verbesserung ebenfalls gering. Einige weitere
Aspekte der am Stator wirkenden Verlustmechanismen können Abb. 12.15a entnommen
werden. Gezeigt ist die Abhängigkeit zwischen dem Betrag der auf den Eintrittsmassenstrom
bezogenen Deckbandleckage und dem Drosselgrad des Stators, welcher über das mit dem
Eintritts-Totaldruck und dem statischen Druck in der Austrittsebene gebildete „Statisch-zu-
Total“-Druckverhältnis der Schaufelreihe dargestellt wurde. Bei Verkleinerung der Spalthöhe
sinkt auch der Leckagemassenstrom, was zu den bereits erwähnten Verlustreduktionen bei
12.2. Nabenkonturierung bei einem Stator mit Deckbandleckage 79