ISBN 978-3-8439-3458-9

978-3-8439-3458-9, Reihe Luftfahrt

Hannes Wolf
Aerodynamische Bewertung von Pennykavitäten bei Verstellstatoren in Hochdruckverdichtern

159 Seiten, Dissertation Ruhr-Universität Bochum (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Als Pennykavitäten bezeichnet man die Kavitäten bei Verstellstatoren, welche durch den Hohlraum zwischen Schaufelteller und Innenring bzw. Schaufelteller und Gehäuse gebildet werden. Diese tragen durch die zusätzlichen Strömungsverluste zu einer Abnahme des Wirkungsgrads und der aerodynamischen Stabilität bei und werden deshalb aerodynamisch untersucht.

Es wird eine Vorgehensweise zur Berücksichtigung der Pennykavitäten im Auslegungsprozess entwickelt. Dazu wurde zunächst die prinzipielle Fähigkeit der eingesetzten Berechnungsmodelle zur Nachrechnung der Ausmischung von Leckage- und Hauptströmung überprüft. Dieser Nachweis erfolgte anhand eines speziellen Ausmischungs-Testfalls, dessen detaillierte Vermessung eine Grundsatzvalidierung ermöglicht. An diesem Testfall konnten die prinzipiellen Unterschiede zwischen einem skalenaufgelösten Verfahren und einer RANS-Standardmodellierung untersucht werden. Anschließend wurde die Strömung in einem Einzelgitter mit Pennykavität mittels eines skalenaufgelösten Verfahrens berechnet und die RANS-Standardmodellierung daran kalibriert.

Durch die kalibrierte Standardmodellierung konnten in der Folge Studien zum Einfluss verschiedener Profilierungskonzepte und Umfangspositionen auf die Auswirkungen der Pennyleckage durchgeführt werden. Die beste Profilierungsvariante wurde exemplarisch auf einen 8-stufigen Hochdruckverdichter übertragen, und somit das Potential anhand eines Anwendungsfalls nachgewiesen. Für diese beispielhafte Anwendung ergaben die drei modellierten Pennykavitäten der Nabe eine Reduktion des maximalen Wirkungsgrads von Δη= -0.34%-Punkten und eine Reduktion der aerodynamischen Stabilitätsgrenze von ΔPG= -7.1%-Punkten. Durch das beste Profilierungskonzept wurde die Verdichterkennlinie für den Totaldruckaufbau steiler und somit aerodynamisch stabiler. Dadurch erreichte das beste Profilierungskonzept eine um ΔPG= 2%-Punkte höhere Stabilitätsgrenze als die Basisprofilierung und konnte somit 28% der Stabilitätsreduktion durch die Pennykavitäten kompensieren. Der maximale Wirkungsgrad des Gesamtsystems wurde durch die Sweep Profilierung quasi nicht geändert (Δη= -0.01%-Punkte), jedoch wird der Leckagemassenstrom um durchschnittlich 11% gegenüber der Basisprofilierung reduziert.

Durch die entwickelte Vorgehensweise ist es nun möglich Pennykavitäten im Auslegungsprozess zu berücksichtigen und weitere Verbesserungspotentiale zu identifizieren.