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Analyse der in Abb. 16.2 gezeigten Entropieverteilungen bei 99 % der Schaufelhöhe beantwortet
werden. Aus Abb. 16.2a werden die Quellen der hohen gehäusenahen Verlustbeiwerte bei
PT1 deutlich. Wie bereits beim 1,5-stufigen Forschungsverdichter beobachtet, wird der Wirbel
beim Durchgang durch den Stoß stark aufgeweitet und in Richtung der nacheilenden Schaufel
abgelenkt. Zusammen mit dem starken Entropieanstieg stromab der Stoß-Wirbel-Interaktion
deutet dies auf ein Aufplatzen des Wirbels hin, was durch eine Überprüfung der Axialgeschwindigkeit
in diesem Bereich bestätigt wurde. Die Grenze zwischen Zuströmung und Spaltströmung
befindet sich bei PT1 nahe der Vorderkante der Rotorspitze, was demzufolge auch beim einstufigen
Forschungsverdichter auf einen durch die Stoß-Wirbel-Interaktion getriebenen Spike-Type
Instabilitätsmechanismus hindeutet. Eine Umspülung der Hinterkante konnte allerdings nicht
festgestellt werden. Ein zweites Gebiet mit erhöhter Entropie zeigt sich an der Rotor-Saugseite,
direkt stromab des Stoßes. Es handelt sich hier um eine stoßinduzierte lokale Ablösung der
saugseitigen Schaufelgrenzschicht. In seiner Ausdehnung und Intensität ist diese Verlustquelle
jedoch kleiner als das durch die Stoß-Wirbel-Interaktion entstandene Verlustgebiet und spielt
für die Instabilität der Schaufelreihe nur eine untergeordnete Rolle.
Mit Gehäusestrukturierung bleibt der Spaltwirbel auch nach dem Passieren des Stoßes kompakt,
wie in Abb. 16.2b zu erkennen ist. Der starke Entropieanstieg entlang der Wirbeltrajektorie
bleibt aus und das Interface zwischen Zuströmung und Spaltströmung trifft bei PT2 erst weiter
stromab auf die nacheilende Schaufel als bei PT1. Das Verlustgebiet an der Schaufelsaugseite
blieb annähernd unverändert. Insgesamt kann geschlossen werden, dass die durch die Umfangsnut
bewirkten Änderungen des Strömungsfeldes denen beim 1,5-stufigen Forschungsverdichter
qualitativ ähnlich sind. Trotz der oben beschriebenen Unterschiede scheint sowohl der dominante
Instabilitätsmechanismus als auch der Einfluss der Gehäusestrukturierung auf diesen bei
beiden Verdichtern gleich zu sein.
16.2 Frontstufe eines Triebwerksverdichters
Die Ergebnisse der Simulationen mit der Frontstufe des Triebwerksverdichters zeigten zunächst
ein von den anderen beiden Verdichtern abweichendes Verhalten. Zwar wurde die Charakteristik
mit Umfangsnut steiler, zeigte aber nur geringe Verbesserungen beim Arbeitsbereich. Der
minimal erreichbare Durchsatz mit CT lag sogar oberhalb des minimalen Wertes ohne CT. Die
Steigerung des Pumpgrenzabstandes von 8,91 % ohne Umfangsnut auf 8,94 % war auf das gestiegene
maximale Totaldruckverhältnis zurückzuführen. Der Stufenwirkungsgrad stieg ebenfalls
nur um Werte an, die eine Größenordnung unterhalb der bei den beiden Forschungsverdichtern
beobachteten Verbesserungen lagen. Diese Resultate waren unerwartet, da der Rotor
des Triebwerksverdichters aus vorangegangenen Studien als spitzenkritisch bekannt war. Zudem
wurde eine Beteiligung der Stoß-Wirbel-Interaktion am aerodynamischen Versagen der Schaufelreihe
vermutet. Eine genauere Analyse der Ergebnisse ergab, dass die numerische Stabilität
der Simulationen mit und ohne Gehäusestrukturierung nicht durch den Rotor, sondern durch
den Nabenbereich des Stators begrenzt wurde. Es wurde daher eine weitere Reihe von CFD-
Rechnungen ohne den Stator durchgeführt.
Die Kennfeldergebnisse dieser Berechnungen mit isoliertem Rotor sind in Abb. 16.3a gezeigt.
Ohne den Stator weist auch der Triebwerksverdichter die gleichen qualitativen Änderungen im
Verlauf der Drehzahllinien auf wie die beiden anderen Verdichter. Die Charakteristik mit CT ist
steiler und erreicht sowohl höhere maximale Druckverhältnisse als auch niedrigere minimale
Durchsätze als ohne die Umfangsnut. Die relative Erweiterung des Pumpgrenzabstandes be-
90 16. Anwendung der Gehäusestrukturierung auf weitere Rotoren