Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung zur Aerodynamik von Tandem-Statoren eines Verdichtergitters unter besonderer Berücksichtigung der 3D-Wandinteraktion mit Wandspalt

Das Ziel ist die detaillierte Untersuchung des Strömungsfeldes einer Tandemkonfiguration mit Wandspalt. Bei Tandemschaufeln wird die Belastung auf zwei hintereinander angeordnete, aufeinander abgestimmte Schaufelreihen verteilt. So wird die Strömung trotz größeren Druckaufbaus deutlich stabiler geführt. Das Stufendruckverhältnis eines Verdichters kann so gesteigert werden, ohne die Strömungsverluste in gleichem Maße anwachsen zu lassen. Der Verdichter kann bei gegebener Leistungsanforderung mit einer geringeren Stufenanzahl ausgeführt werden und zeichnet sich so gegenüber konventionellen Verdichtern durch weniger Bauteile und geringere Kosten aus.

Der Fokus der experimentellen und numerischen Arbeiten liegt auf der gezielten Analyse des Einflusses des Wandspaltes auf die Ausprägung der Sekundärströmungen innerhalb des Strömungskanals. Die daraus resultierenden Interaktionen können zu einem signifikanten Verlustanstieg führen. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Vermeidung dieser können in die Entwicklung hochbelasteter und effizienter Verdichter eingebracht werden. Die Untersuchungen werden die Möglichkeit der aerodynamischen Leistungssteigerung von Verdichtern bieten können und zur Definition neuer wirtschaftlicher Verfahren für die Fertigung von Tandemschaufelreihen herangezogen werden können. Weiterhin kommt die Validierung der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Daten den Entwicklern der Strömungslöser zu Gute. Die Forschungsstelle wird durch einen Arbeitskreis aus Experten der Industrie beraten. Um den Transfer der Ergebnisse von der Forschungsstelle zu diesen Partnern und eine schnelle Umsetzung in die industrielle Anwendung zu gewährleisten, sind turnusmäßige Zusammenkünfte mit dem Arbeitskreis vorgesehen. Weiterhin ist der Zugriff auf die erzeugten Daten und Projektberichte über die FVV-Kommunikationsplattform für die FVV-Mitglieder gewährleistet. Die Ergebnisse werden in Fachzeitschriften und auf nationalen und internationalen Konferenzen publiziert.

Ergebniszusammenfassung:

Das Vorhaben untersucht die Ausprägung der Sekundärströmungen an Tandemschaufeln (TS) unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses eines Wandspalts. Dafür wurden zwei Schaufelgeometrien analysiert: eine konventionelle Verdichterschaufel und eine TS. Beide Schaufeln wurden für die gleiche Umlenkaufgabe und den gleichen Arbeitsbereich ausgelegt. Das Teilungsverhältnis der TS wurde hierbei stark erhöht, sodass in diesem Setup vier konventionelle Schaufeln (Referenz) durch drei TS ersetzt werden konnten. An konventionellen Verdichterschaufeln bildet sich ein Spaltwirbel aus. Im Gegensatz dazu bilden sich an TS mit Vollspalt zwei Spaltwirbel aus. Die Ergebnisse umfassen die Veränderungen in der Strömungstopologie bei Veränderung der Inzidenz, sowie der Spaltweite. Die Veränderungen durch Erhöhung der Spaltweite und der Inzidenz an dem vorderen Spaltwirbel sind dabei ähnlich zu denen an der Referenzschaufel, der hintere Spaltwirbel bleibt weitgehend unbeeinflusst. Neben der Spaltweite lässt sich auch die Länge des Spaltes verändern. Auf diese Art kann die sogenannte Penny-Gap-Konfiguration untersucht werden. Die Ergebnisse an der TS zeigen ungünstige Strömungsablösungen, wenn auch die Vorderkante der hinteren Schaufel auf dem Penny platziert ist. Die Untersuchungen umfassen ebenfalls den Einfluss einer erhöhten Zuströmmachzahl und den Einfluss der Zulaufgrenzschichtdicke. Numerische Untersuchungen zeigen die Komplexität der Herausforderung die stark interagierende Strömung korrekt abzubilden. Untersucht werden verschiedene Turbulenzmodelle unter dem Einfluss von Turbulenzmodifikatoren.

Die exp. und num. Ergebnisse des Vorhabens bieten ein umfassendes Grundverständnis zur speziellen Strömungstopologie an TS. Der große Parameterraum bietet vielfältige Einblicke in die verschiedenen Entwicklungstendenzen der einzelnen Strukturen. Die Daten bieten eine breitbandige Validierungsbasis für numerische Strömungslöser.