Grundlegende numerische Untersuchungen zu Hub Treatment für deckbandlose Statoren in Axialverdichtern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Jeschke
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247436028

Die Verringerung des spezifischen Brennstoffverbrauchs zukünftiger Flugtriebwerke kann u.a. durch die Erhöhung des Verdichterdruckverhältnisses und damit des thermischen Wirkungsgrads des Triebwerks erreicht werden. Bei Beibehaltung der Stufenzahl aufgrund von Gewichts-, Längen- und Kostenrestriktionen erhöhen sich somit auch die Stufendruckverhältnisse, was mit einer Erhöhung ihrer aerodynamischen Belastung und somit einer Verringerung des stabilen Betriebsbereichs einhergeht. Die Leckageströmung im Radialspalt zwischen den Schaufeln und Seitenwänden stellt einen der entscheidenden Einflussfaktoren auf die aerodynamische Stabilität des Verdichters dar. In Analogie zu Casing Treatments für Rotoren ist es denkbar, die negativen Effekte der Radialspaltströmung von deckbandlosen Statoren wie Stabilitäts-, Totaldruck- und Wirkungsgradverluste mit einer strukturierten rotierenden Nabe, Hub Treatment, zu reduzieren. Hub Treatments wurden bisher nur in den 70er/80er Jahren vereinzelt experimentell an einstufigen Niedergeschwindigkeitsverdichtern untersucht. Ein generelles Potential die nabenseitige Blockage im Stator zu reduzieren konnte aufgezeigt werden, wobei Wirkungsgraddefizite nicht betrachtet wurden. Eine Weiterentwicklung dieser Technologie fand seitdem nicht mehr statt. Ziel des hier beantragten Vorhabens ist es deshalb, einen Erkenntnisstand von Hub Treatments zu erreichen, der es erlaubt, eine fundierte Aussage über das Anwendungspotential und einen möglichen Einsatzbereich von Hub Treatments zu treffen. Dabei sollen zum einen die zugrundeliegenden Effekte der Wirkweise von Hub Treatments sowie die Interaktion der Hub Treatments mit dem Verdichter erforscht werden. Auf Basis dieser Analyse sollen effiziente Hub Treatment Geometrien entwickelt werden, anhand derer das mögliche Anwendungspotential aufgezeigt werden kann. Zum anderen soll die Abhängigkeit der Hub Treatment Funktionalität von der Verdichterkonfiguration erforscht werden. Auf dieser Basis können einerseits das Anwendungspotential und der Einsatzbereich von Hub Treatments eingegrenzt werden und andererseits grundlegende Auslegungskriterien von Hub Treatments in Abhängigkeit des Verdichters aufgezeigt werden. Zur Erreichung der genannten Ziele werden umfangreiche instationäre numerische Strömungssimulationen mit dem Strömungslöser TRACE des DLR an einem zweistufigen subsonischen Hochgeschwindigkeitsverdichter durchgeführt. In Abgrenzung zu den wenigen bisherigen Veröffentlichungen, die experimentell den lokalen Einfluss einfach gestalteter Hub Treatments auf die Statorströmung ohne Wirkungsgradbetrachtung untersuchten, soll in diesem Vorhaben der Einfluss aerodynamisch abgestimmter Hub Treatments im mehrstufigen Verband eines Verdichters in Hinblick auf Totaldruckaufbau, Stabilität und Wirkungsgrad beurteilt werden. Dabei liegen nicht nur die Auswirkungen auf das entsprechende Statorgitter sondern auch auf die folgende Stufe und den gesamten Verdichter im Fokus der Untersuchung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen