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Spiralförmiges Aufplatzen
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Blasenförmiges Aufplatzen
(a) Vortex Breakdown an einem Deltaflügel [11] (b) Vortex Breakdown im Verdichter [6]
Abbildung 4.2.: Verschiedene Aspekte des Vortex Breakdown.
es sich dabei um ein kleines Gebiet mit blasenförmigem Aufplatzen. Bei stationärer Berechnung
des Strömungsfeldes trat das Aufplatzen nicht auf, sondern war aufgrund seiner geringen Größe
und niedrigen Frequenz im Bereich von ca. 5 % der Blade Passing Frequency (BPF) nur in
instationären CFD-Rechnungen mit einem verfeinerten Netz vorhanden. Beim Betrieb nahe der
numerischen Stabilitätsgrenze jedoch trat direkt hinter dem Stoß spiralförmiges Aufplatzen auf.
Es zeichnete sich durch eine erheblich größere Verlust- und Blockageproduktion sowie durch
eine höhere Frequenz von etwa 50 % der BPF aus. In einem letzten Schritt wurde ein von Smart
und Kalkhoran vorgestelltes analytisches Model zur Vorhersage des Wirbelaufplatzens als Folge
der Interaktion mit einem senkrechten Stoß herangezogen [8]. Für den Betriebspunkt mit spiralförmig
aufgeplatztem Wirbel zeigt das Modell einen kritischen Wert an, was die Relevanz der
in transsonischen Verdichtern auftretenden Stoß-Wirbel-Interaktion verdeutlicht.
Die Ergebnisse sind konsistent mit den Resultaten einer früheren Studie von Suder und
Celestina [3]. Sie konnten für Rotor 37 sowohl numerisch als auch experimentell die Existenz
eines Gebietes erhöhter Blockage und Druckverluste stromab der Interaktion von Wirbel und
Stoßfront nachweisen. Zwar muss das Aufplatzen des Spitzenwirbels nicht in allen transsonischen
Verdichtern direkt stromab des Verdichtungsstoßes erfolgen, sondern kann auch weiter
stromab geschehen [9]. Der grundsätzliche Mechanismus, nämlich das Auftreten eines Stagnationsgebietes
als Folge eines für den Wirbelkern nicht zu überwindenden statischen Druckanstieges,
ist jedoch der gleiche. Lässt sich ein Aufplatzen verhindern, so zeigt der Verdichter
erhöhte Wirkungsgrad- und Stabilitätswerte. Dies kann beispielsweise durch eine Pfeilung der
Schaufel erreicht werden [9, 10].
4.2 Dreidimensionale Ablösungen im Endwandbereich
In Axialverdichtern kann sich im Eckbereich zwischen Endwand und Schaufelsaugseite ein Gebiet
mit abgelöster Strömung bilden. Betroffen davon sind Rotornaben und die Endwände von
Statoren ohne Schaufelspalt. Da sowohl Wandgrenzschicht als auch Schaufelgrenzschicht beteiligt
sind und sich Form und Größe entlang der Hauptströmungsrichtung ändern, handelt es
sich um ein vollständig dreidimensionales Phänomen. Ist die Eckenablösung klein, so wird sie
auch als „Corner Separation“ bezeichnet. Wenn sie eine signifikante Größe relativ zur Kanalhöhe
und Passagenbreite der betrachteten Schaufelreihe erreicht, so wird von „Corner Stall“
gesprochen. Das entstandene Stagnations- bzw. Rückströmungsgebiet ist in diesem Fall für einen
Großteil der gesamten Totaldruckverluste der Schaufelreihe verantwortlich und bewirkt
16 4. Sekundärströmungen in Axialverdichtern