Passive Kontrolle der wandnahen Strömung in Axialkompressoren durch Modifikation der Annulusgeometrie

Um der Forderung nach Flugtriebwerken mit niedrigerem Treibstoffverbrauch kurz- oder mittelfristig zu genügen, müssen die einzelnen Triebwerkskomponenten über das aktuell erreichte Niveau hinaus verbessert werden. So soll der Wirkungsgrad des Verdichtermoduls steigen und gleichzeitig einen für den sicheren Betrieb der Maschine ausreichenden stabilen Arbeitsbereich aufweisen. Ein wichtiger Weg zum Erreichen dieses Ziels führt über die Kontrolle der verschiedenen Sekundärströmungsphänomene. Zusätzlich zu den diesem Zweck dienenden, bereits etablierten Technologien befinden sich aktuell diverse aktive und passive Methoden in der Entwicklung. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei verschiedene passive Methoden, welche als Modifikation der Naben- und Gehäusewände klassifiziert werden können. Verschiedene Axialverdichter wurden mit nicht-achsensymmetrischer Endwandkonturierung sowie Gehäusestrukturierung ausgestattet, um ihre aerodynamischen Leistungsparameter zu verbessern. Der Großteil der Ergebnisse beruht auf 3D-CFD-Simulationen. Zu Validierungszwecken wurden zusätzlich experimentelle Resultate herangezogen. Für die nicht-achsensymmetrische Endwandkonturierung wurde ein halbautomatischer Auslegungsprozess entwickelt. Er wurde dazu genutzt, die Rotornabe sowie Nabe und Gehäuse des Stators eines 1,5-stufigen transsonischen Forschungsverdichters zu konturieren. Zusätzlich wurde die Statornabe eines zweistufigen Niedergeschwindigkeitsverdichters konturiert, um das Verbesserungspotenzial unter der Einwirkung von Deckbandleckage zu untersuchen. Es konnte numerisch demonstriert werden, dass sich durch eine Konturierung die Querkanalströmung so beeinflussen lässt, dass die lokalen Totaldruckverluste sinken und die Umlenkung verbessert wird. Der Betrag dieser Verbesserungen war signifikant erhöht, wenn die Referenzvariante mit achsensymmetrischen Annuluswänden ein Rezirkulationsgebiet nahe der zu konturierenden Endwand aufwies. In diesem Fall konnte der polytrope Stufenwirkungsgrad um mehr als ein Prozent gesteigert werden. Für den Fall eines Stators ohne relevantes Rezirkulationsgebiet wurden sowohl Schaufel- als auch Endwandgeometrie modifiziert, was zu einer Wirkungsgradsteigerung von 0,3% führte. Aufgrund des geringen benötigten Bauraums und der einfachen Geometrie wurde die Gehäusestrukturierung als einzelne Umfangsnut ausgeführt. Die Gehäusestrukturierung wurde auf den Rotor des 1,5-stufigen Forschungsverdichters sowie zwei weiteren transsonischen Verdichterrotoren appliziert. In allen Fällen wurde ein verbesserter Arbeitsbereich bei konstantem oder verbessertem Wirkungsgrad beobachtet. Die weitere Analyse zeigte, dass dies über eine Beeinflussung der Interaktion zwischen dem Rotorspaltwirbel und dem Stoß erreicht wurde. Die der Umfangsnut zuzuordnenden Verbesserungen waren um so höher, je größer der Anteil dieser Stoß-Wirbel-Interaktion am aerodynamischen Instabilitätsmechanismus des jeweiligen Rotors war

DIFFERENCE IN THE WORKING PRINCIPLE OF AXIAL SLOT AND TIP BLOWING CASING TREATMENTS

ABSTRACT Tip blowing and axial slot casing treatments have shown their ability to enhance the stability of a transonic axial compressor with different effects on efficiency. For an effective application of these casing treatments, a good knowledge of the influence of the casing treatment on the rotor flow field is important. There is still a need for more detailed investigations, in order to understand the interaction between the treatment and the near casing 3D flow field. For transonic compressor rotors this interaction is more complex, as super-and subsonic flow regions alternate while interacting with the casing treatment. In the present study, an axial slot and a tip blowing casing treatment, which have been developed and optimized for the same tip critical transonic axial compressor rotor (reference rotor) by Streit et al. Both casing treatment types recirculate flow from a downstream to an upstream location of the rotor and reinject it to enhance the near casing flow field. Although the working principle of the two casing treatment types are similar, the transfer of the casing treatments from the reference to the reduced rotor show different trends in efficiency. Therefore, the effect of recirculation cannot explain the difference in efficiency. Hence, applying axial slots must include additional flow features, compared to recirculation channels. Compensating effects as in circumferential groove casing treatments and other flow interactions between the near casing flow field and the slot flow are considered. These additional mechanisms of the axial slot casing treatment will be identified and isolated by comparing the two different casing treatment types. The numerical simulations are carried out on a 1.5 stage transonic axial compressor using URANS simulations