Untersuchung von Methoden der aktiven Strömungsbeeinflussung zur Erweiterung des Arbeitsbereiches von Axialverdichtern


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Untersuchung von Methoden der aktiven Strömungsbeeinflussung zur Erweiterung des Arbeitsbereiches von Axialverdichtern

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Die Strömungsverhältnisse im Bereich der Blattspitze eines Verdichterrotors sind durch die Interaktion von Gehäusegrenzschicht, Spalt- und Spaltwirbelströmung gekennzeichnet. Wird der Verdichter gedrosselt, führen diese Strömungsphänomene zu einer wachsenden Verblockung des gehäusenahen Schaufelkanals. In der vorliegenden Arbeit wird an einer 1,5-stufigen Modellstufe eines Triebwerkshochdruckverdichters gezeigt, dass der Strömungsabriss dabei durch das instationäre Hervortreten von axial rückwärts gerichteter Spaltströmung vor die Beschaufelung (Spill Forward) ausgelöst wird. Ausgehend von der Erkenntnis, dass die gehäuse-nahe Verblockung für die Begrenzung des Arbeitsbereiches verantwortlich ist, werden unterschiedliche aktive Beeinflussungs-konzepte (stationäre Einblasung, Absaugung) an der aerodynamisch hoch belasteten Verdichterstufe getestet, um eine Energetisierung der Gehäusegrenzschicht über dem Rotor (d.h. im Rotorkopfbereich) zu erreichen. Kann die gehäusenahe Verblockung erfolgreich reduziert werden, hat dies ein späteres Auftreten der den Strömungsabriss verursachenden instationären Störungen (Spikes) und somit eine Verschiebung des Abreißpunktes hin zu kleineren Massenströmen zur Folge. Mit Hilfe einer einheitlichen Bilanzierung wird die Effektivität der unterschiedlichen Ansätze zur aktiven Strömungsbeeinflussung gegenübergestellt, während Detailvermessungen des Strömungsfeldes die Wirkungsweise der getesteten Beeinflussungsmaßnahmen veranschaulichen. Da die Umsetzung der hier untersuchten Technologie an einem zukünftigen Hochdruckverdichter mit hoher aerodynamischer Belastung wahrscheinlich ist, wird noch eine zweite Verdichterstufe mit erhöhtem Diffusionszahlniveau, 3D Beschaufelung und reduziertem Schaufelhöhenverhältnis untersucht, um das Potential der Maßnahmen unter diesen Randbedingungen zu überprüfen. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe von Düseneinblasung an diskreten Umfangspositionen stromauf des Rotors die größte Arbeitsbereichs-erweiterung des Verdichters erreicht werden kann. Daneben werden aber auch limitierende Faktoren wie die, durch lokales Einblasen verursachte, asymmetrische Rotorabströmung herausgestellt. Diese führt im Teillastbetrieb zur Überlastung der saugseitigen Profilgrenzschichten der Statorbeschaufelung und begrenzt so den erreichbaren Stufenwirkungsgrad.
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