Forschung im HLRN-Verbund 2011

100Kontrollierte Verdichtung in FlugtriebwerkenNumerische Simulation und Analyse einer Statorkaskade mit aktiverStrömungskontrolleC. Gmelin, M. Steger, E. Wassen, F. Thiele, Institutfür Strömungsmechanik und Technische Akustik,Technische Universität BerlinKurzgefasst• Steigendes Flugaufkommen und verschärfteRichtlinien erfordern effektivere Triebwerke.• Methoden der aktiven Strömungsbeeinflussungbieten die Möglichkeit die Leistungsdichte einessolchen Antriebs zu erhöhen und somit Gewicht,Emissionen und Treibstoffverbrauch von modernenFlugtriebwerken zu senken.• Da die Strömung in Axialverdichtern und dieBeeinflussung durch Jets hochgradig turbulentePhänomene darstellen, werden die Untersuchungenhier an einer Statorkaskade durchgeführt,welche den nicht-rotierenden Teil einesAxialverdichters repräsentiert.• Hochauflösende Simulationen bieten Einsichtsowohl in die strömungsmechanischen Vorgängeder turbulenten Strömungen innerhalb des Verdichtersals auch in die Interaktion zwischen derHauptströmung und dem Jet der Aktuatorik.Moderne Verdichter sind bereits stark optimierteKomponenten, welche effektiv unter stabilenBedingungen arbeiten sollen. In stark belastetenVerdichtern neigt die Strömung dazu an denStatorschaufeln abzulösen. Praktisch wirkt sichdies in hohen Druckverlusten aus. Um moderateStufenbelastungen einzuhalten, bestehen Verdichterstets aus einer großen Anzahl von Stufen.Durch aktive Beeinflussung der Ablösegebietelässt sich der Strömungsabriss zu Betriebspunktenmit erhöhter Verdichterbelastung verschieben.Deshalb können entsprechende Fortschritteauf dem Gebiet der Verdichtertechnologie dazubeitragen, die Stufenzahl zu senken und somitdas Gesamtgewicht zu verringern, den Treibstoffverbrauchzu senken und die Gesamtkostenzu reduzieren. Die in den letzten Jahren imaerodynamischen Bereich vorwiegend eingesetztenpassiven Methoden wie Profilwölbung, 3D–Schaufelgeometrie sowie terrassierte Endwändesind mittlerweile weitgehend erschöpft. Die aktiveStrömungsbeeinflussung verspricht auf diesemGebiet den dazu nötigen Technologiesprung zuermöglichen.Es ist das Ziel dieses Projektes, die Ablösungan solchen hochbelasteten Turbomaschinenbeschaufelungendurch aktive Strömungsbeeinflussungzu vermindern bzw. vollständig zu vermeiden.Insbesondere soll das periodische Einblasenüber Schlitze an den Gehäusewänden sowieden Schaufeloberflächen untersucht werden. AktiveMethoden zeichnen sich gegenüber passivendarin aus, dass die Beeinflussung lediglich bei Bedarfeingeschaltet werden kann und sie im ausgeschaltetenZustand keinen negativen, parasitärenEffekt auf die Strömung ausübt. Darüber hinauskann, in Kombination mit einem Regelmechanismus,für verschiedene Betriebspunkte auf die jeweilsvorherrschenden Anströmbedingungen flexibelreagiert werden.Die hierbei untersuchte ebene Statorkaskadestellt eine vereinfachende Abwicklung der in Umfangsrichtungverteilten Leitschaufeln einer realenTurbomaschine dar. Die Kaskade wurde soausgelegt, dass sie die typischen StrömungsundAblösephänomene einer hochbelasteten Verdichterschaufelaufweist. Auf der Schaufelsaugseitebilden sich auf Höhe der laminaren Ablöseblasemassive Eckenwirbel aus, welche stromab dieStrömung der Kaskade einschnüren. Bei ca.70% Saugseitenlauflänge treffen die Eckenwirbelder beiden Endwände aufeinander und dieStrömung löst senkrecht zur Strömungsrichtungab. Die Endwände und die Schaufelsaugseite repräsentierendie Orte für zwei Beeinflussungskonzepte,welche in einem ersten Schritt unabhängigvoneinander untersucht werden. Mit den Aktuatorenan den Endwänden sollen die Eckenwirbel andie Kaskadenendwände gerückt und somit die Einschnürungvermindert werden. Die Aktuatorik ander Schaufel zielt auf die Verzögerung bzw. Verhinderungder Ablösung nahe der Hinterkante ab.Nach Auffinden geeigneter Parameter für beideBeeinflussungspositionen soll die Kombination derbeiden Konzepte simuliert werden.Im Rahmen des Transferbereich (TFB) des Sonderforschungsbereiches(SFB) 557 ”Beeinflussungkomplexer turbulenter Scherströmungen“, TeilprojektT2, an der Technischen Universität Berlinwurde, in Zusammenarbeit mit dem experimentellenPartnerprojekt, die Strömung analysiert undgeeignete Aktuatorkonzepte im Hinblick auf Art,Beeinflussungsposition, Frequenz und Amplitudeder Aktuation ermittelt. Hierfür wurden instationäreReynolds-gemittelte Navier-Stokes Simulationendurchgeführt [1].Da bei einer Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Simulation (RANS) die Turbulenz durchIngenieurwissenschaften