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7 Stand der Forschung
Zwei der bekannten Methoden zur Sekundärströmungskontrolle in Axialverdichtern sind aktuell
nicht oder nur in Ausnahmefällen in Serientriebwerken zu finden: Endwandkonturierung
und Gehäusestrukturierung. Aus diesem Grund und weil es sich hierbei um das Kernthema der
vorliegenden Arbeit handelt, soll hier ein Überblick über den Stand der Forschung dieser beiden
Technologien gegeben werden.
7.1 Endwandkonturierung
Seit geraumer Zeit ist bekannt, dass die Geometrie von Nabe und Gehäuse einen bedeutenden
Auslegungsparameter von axialen Turbomaschinen darstellt. Daher wird sie bereits bei der Vorauslegung
berücksichtigt. Sowohl eindimensionale Mittelschnittverfahren als auch 2D-Stromlinienkrümmungsverfahren
werden dazu benutzt, die Naben- und Gehäuseradien in den Eintrittsund
Austrittsebenen der einzelnen Schaufelreihen bereits in einem möglichst frühen Stadium
des Auslegungsprozesses innerhalb einer gewissen Bandbreite festzulegen. Einhergehend mit
der verstärkten Nutzung von 3D-Berechnungsverfahren zeichnet sich in den letzten Jahren eine
zusätzliche Entwicklung ab. Anstatt einen möglichst glatten Verlauf der Annuluskontur anzustreben
und in erster Linie die Radien in den Schaufeleintritts- und -austrittseben zu betrachten,
rückt zunehmend auch die Formgebung innerhalb der Schaufelpassage in den Fokus. Wird diese
bei annähernd gleich bleibenden Eckpunkten der Schaufelreihe verändert, so werden oft die
Begriffe „Konturierung“ oder „Profilierung“ verwendet. Dies gilt sowohl für den rotationssymmetrischen
Fall als auch für den Fall einer nicht-achsensymmetrischen Annuluskontur. Diese beiden
Konturierungsvarianten werden auch als 2D- bzw. 3D-Profilierung bezeichnet. Da bei den in dieser
Arbeit vorgestellten 3D-Profilierungen alle Passagen einer konturierten Schaufelreihe gleich
aussehen, handelt es sich zwar genau genommen um eine periodisch achsensymmetrische Formgebung.
Um konsistent mit der vorhandenen Literatur zu sein, wird jedoch für diese Variante
die Bezeichnung „nicht-achsensymmetrisch“ verwendet.
Nicht-achsensymmetrische Endwandkonturierung wurde zunächst in Axialturbinen eingesetzt,
die erste Anwendung in Verdichtern erfolgte einige Jahre später. In den folgenden Abschnitten
wird ein Überblick über den Stand der Forschung mit einem Fokus auf den Verdichterbereich gegeben.
Unter anderem soll dies dazu dienen, die dieser Arbeit zugrunde liegende Fragestellung
und Methodik besser einordnen zu können.
7.1.1 Einfluss der Endwandgeometrie auf das Strömungsfeld
Grundsätzlich wird eine Konturierung zur Modifikation der statischen Druckverteilung in Wandnähe
eingesetzt. Unter der Annahme, dass die Strömung nahe der Wand nahezu parallel zu
dieser verläuft, lässt sich der Einfluss der Wandgeometrie auf das lokale Strömungsfeld in erster
Näherung über die Stromlinienkrümmung beschreiben [21]. Diese Annahme ist zwar für den
Fall eines wandnahen Ablösegebietes oder sehr plötzlicher Geometrieänderungen nicht gerechtfertigt
und daher für die detaillierte Auslegung einer Konturierung untauglich. Sie ermöglicht
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