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in Richtung der nacheilenden Schaufel abgelenkt. Weiterhin ist entlang der Wirbeltrajektorie eine
starke Querschnittserweiterung und Entropieerhöhung unmittelbar stromab der Interaktion
von Stoß und Wirbel zu beobachten. Dies ist ein Hinweis, dass ohne CT bei stark angedrosselten
Betriebszuständen die Stoß-Wirbel-Interaktion den dominierenden Verlustmechanismus des
Rotors darstellt. Weitere Untersuchung zeigten, dass sich hinter dem Stoß ein Stagnationsgebiet
ausbildet, was auf einen aufgeplatzten Wirbel hindeutet. Die Vermutung liegt nahe, dass es
sich hierbei um einen stabilitätskritischen Mechanismus handelt. Dies ist konsistent mit einem
der Kriterien für Spike-Type Stall, laut dem kurz vor dem Erreichen der Stabilitätsgrenze der
Übergang zwischen Zuströmung und Spaltströmung an der Vorderkante der Schaufel liegt [26].
Aus Abb. 15.2a ist ersichtlich, dass dieser Zustand beinahe erreicht ist. Eine leichte Umspülung
der Hinterkante ist ebenfalls vorhanden, jedoch trifft dieses Fluid nicht auf die nachfolgende
Schaufel. Dies erklärt, warum es sich bei PT1 um den letzten numerisch stabilen Betriebspunkt
der Variante ohne Gehäusestrukturierung handelt. Ein durch Stoß-Wirbel-Interaktion getriebener
Instabilitätsmechanismus wird auch als „Tip Blockage Stall“ bezeichnet [121]. Verdichter
mit diesem Merkmal gelten als positiv durch Gehäusestrukturierung beeinflussbar.
Die in Abb. 15.2b gezeigte Entropieverteilung für PT2 macht deutlich, dass mit CT der Wirbel
den rapiden statischen Druckanstieg im Stoß überwinden kann, ohne stark abgelenkt zu
werden oder aufzuplatzen. Relativ zu PT1 wurde der Übergang zwischen Zuströmung und
Spaltströmung weiter stromab der Rotor-Vorderkante verschoben. Die Umspülung der Hinterkante
wurde reduziert. Zudem wurden die bei PT1 zu findenden maximalen Entropiewerte nicht
mehr erreicht. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Umfangsnut über eine Beeinflussung
der Stoß-Wirbel-Interaktion wirkt. Da die Konfiguration mit CT über PT2 hinaus angedrosselt
werden konnte, kann indirekt daraus geschlossen werden, dass ohne Gehäusestrukturierung
die Stoß-Wirbel-Interaktion tatsächlich den dominanten Mechanismus darstellte, welcher den
stabilen Arbeitsbereich limitiert.
15.2 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen
Die Kennfeldergebnisse der experimentellen Validierung der einzelnen Umfangsnut sind in Abb.
15.3 gezeigt. Charakteristiken bei verschiedenen Drehzahlen sind für den 1,5-stufigen Forschungsverdichter
mit und ohne Gehäusestrukturierung eingezeichnet. Während bei 100 % und
95 % der Auslegungsdrehzahl die relative Anströmmachzahl im Bereich der Rotorspitze noch supersonisch
war, lag bei 80 % der Auslegungdrehzahl ein vollständig subsonisches Strömungsfeld
im Rotor vor. Die Bilanzierung erfolgte von der IGV-Eintrittsebene bis zur Rotor-Austrittsebene.
Ebenfalls eingezeichnet ist die Lage der Stabilitätsgrenze für die beiden Varianten. Der Wirkungsgrad
wurde mit Hilfe der Drehmomentmessung auf der Rotorwelle bestimmt. Für Drosselgrade
nahe des Wirkungsgradmaximums haben die Charakteristiken mit und ohne CT einen
ähnlichen Verlauf. Die Unterschiede sowohl für Massenstrom und Totaldruckverhältnis als auch
für den Wirkungsgrad liegen innerhalb der Analysegenauigkeit, mit leicht höheren Wirkungsgraden
für die Variante mit CT. Bei 95 % relativer Drehzahl lag für den Punkt des maximalen
Wirkungsgrades der Variante ohne CT kein entsprechender Punkt mit CT vor, so dass für diese
Drehzahl keine Aussage über die Veränderung des maximalen Wirkungsgrades getroffen werden
kann.
Mit steigendem Drosselgrad zeigen die Totaldruckverhältnis-Charakteristiken mit CT sowohl
bei 100 % als auch bei 95 % der Auslegungsdrehzahl einen steileren Verlauf als ohne. Bei 80 %
ist kein eindeutiger Unterschied in der Form der Charakteristik festzustellen. Beim Durchsatz
86 15. 1,5-stufiger Forschungsverdichter mit Gehäusestrukturierung