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3 Aufgabenstellung und Vorgehensweise
Mit aktuellen Verfahren ausgelegte Axialverdichter erreichen in der Regel hohe Wirkungsgradund
Stabilitätswerte. Ein Grund dafür ist in der dreidimensionalen Schaufelgestaltung zu sehen,
welche zur Reduktion der durch Sekundärströmungseffekte hervorgerufenen unerwünschten
Strömungserscheinungen beiträgt. Die der vorliegenden Arbeit zugrunde liegende Fragestellung
ist, ob bei solchen Verdichtern durch die Anwendung zusätzlicher Methoden zur Sekundärströmungsbeeinflussung
weitere Verbesserungen erzielt werden können. Dazu wurden zwei
passive Methoden ausgewählt, für die eine Modifikation der Annulusgeometrie das zentrale
Charakteristikum darstellt. An den Naben von Rotoren und spaltlosen Endwänden von Statoren
bietet sich eine Konturierung an. Die Anwendung von nicht-achsensymmetrischer Endwandkonturierung
in Axialverdichtern ist im Gegensatz zur rotationssymmetrischen Variante erst seit
kurzer Zeit Gegenstand von Untersuchungen. Diese im Turbinenbereich bereits weit verbreitete
Technologie zielt in erster Linie auf eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Eine gesteigerte
Stabilität des Verdichters soll über eine Gehäusestrukturierung erreicht werden. Bei der Auswahl
der Bauform soll neben einem mindestens gleich bleibendem Wirkungsgrad auch eine
möglichst einfache Geometrie und gute Integrierbarkeit in das bestehende Auslegungssystem
beachtet werden.
Ein für eine Hochdruckverdichter-Frontstufe repräsentativer transsonischen Verdichter sollte als
zentrales Vehikel für die vorliegende Studie dienen. Zunächst wurde dieser 1,5-stufige Verdichter
entsprechend aktueller Bewertungskriterien und Verfahren ausgelegt. Dann wurden Rotor
und Stator mit nicht-achsensymmetrischer Endwandkonturierung ausgestattet. Der Verdichter
wurde gebaut und im Prüfstand des Fachgebietes für Gasturbinen und Luft- und Raumfahrtantriebe
der TU Darmstadt getestet. Sowohl aus konstruktiven als auch aus Kostengründen
war es hinsichtlich der Konturierung nicht möglich, innerhalb der Projektdauer Vergleichsmessungen
mit dieser und ohne diese Technologie durchzuführen. Die hier vorgestellten, aus
der ersten Auslegungsphase für den getesteten Verdichter abgeleiteten weiteren Konturierungs-
Untersuchungen sind daher ausschließlich numerisch durchgeführt worden. Bei einer solchen,
überwiegend auf Simulationen beruhenden Studie sind Aussagen über die Güte der Modellierung
von hoher Relevanz. Daher ist ein Abgleich zwischen den vorliegenden experimentellen
Ergebnissen und den entsprechenden Simulationen unverzichtbar.
Die Arbeit ist wie folgt strukturiert: Zunächst werden die zum Verständnis der Ergebnisse
notwendigen Grundlagen erläutert. Dieser als Teil II betitelte Abschnitt enthält sowohl einige
Aspekte der relevanten Sekundärströmungen, eine Übersicht der gängigen Methoden zur
Strömungskontrolle als auch den aktuellen Stand der Forschung bei Endwandkonturierung und
Gehäusestrukturierung. In Teil III werden die verwendeten numerischen und experimentellen
Methoden beschrieben. Dieser Teil beinhaltet auch die Beschreibung des zentralen Verdichters,
einige Details zu seiner Auslegung und den Vergleich zwischen CFD und Experiment. Ferner
werden die für die weiterführenden Untersuchungen herangezogenen Verdichter vorgestellt.
Nach erfolgtem Abgleich mit dem Experiment werden in Teil IV die verschiedenen Aspekte der
Endwandkonturierung besprochen. Die Untersuchungen zur Gehäusestrukturierung sind in Teil
V zusammengefasst.
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