Grundlagenforschung zum Verhalten fluidischer Oszillatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Reinhard Niehuis
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247286533

Turbinenschaufeln neigen bei hoher aerodynamischer Belastung und niedrigen Reynolds-Zahlen zu Grenzschichtablösungen auf der Schaufelsaugseite, was sich negativ auf das Performanceverhalten und die Effizienz auswirkt. Diesem Effekt kann durch Grenzschichtbeeinflussung entgegengewirkt werden, indem der laminar-turbulente Umschlag erzwungen wird, so dass die Grenzschichten im Verzögerungsbereich bis zur Hinterkante der Schaufel früher zum Wiederanlegen kommen und die verlustreichen Strömungsablösungen deutlich reduziert werden. Passive Elemente wie Turbulatoren, die einen laminar-turbulenten Umschlag erzwingen, sind bei niedrigen Reynolds-Zahlen sehr effektiv, erhöhen jedoch die Verluste bei hohen Reynolds-Zahlen. Aktive Maßnahmen lassen sich hier deaktivieren, um eine Verluststeigerung zu vermeiden. So erzielt stetige Ausblasung gute Ergebnisse, benötigt dafür aber einen problematisch großen Massenstrom. Gepulste Ausblasung kann diesen stark reduzieren, stellt aber hinsichtlich der Aktuatorik hohe Anforderungen. Der laminar-turbulente Umschlag ist in der Regel durch die sogenannten Tollmien-Schlichting Instabilitäten gekennzeichnet, deren typische Frequenzen bei Niederdruckturbinenschaufeln in der Größenordnung von 10 kHz oder höher liegen. Um den Umschlag zu forcieren, sind Aktuationsfrequenzen in gleicher Größenordnung erforderlich. Mit mechanischen Aktuatoren lassen sich derart hohe Anregungsfrequenzen auf Turbinenschaufeln technisch nicht realisieren. Gelungen ist dies dem Antragsteller erstmals mit speziell ausgelegten und miniaturisierten fluidischen Aktuatoren.Kernthema dieses Forschungsvorhabens ist die grundlegende Behandlung des Verhaltens von fluidischen Oszillatoren zur Grenzschichtbeeinflussung an Turbinenbeschaufelungen mit experimentellen Methoden. Ziel ist es, die grundlegenden Phänomene in diesen Oszillatoren besser zu verstehen und Frequenz und Amplitude der entstehenden Oszillation möglichst quantitativ, zumindest aber qualitativ vorhersagen zu können, um sie als wirksame Grenzschichtbeeinflussungsmaßnahme an Turbinenschaufeln zur Verlustreduktion nutzbar zu machen. Am Ende des Forschungsprojektes sollen die Haupteinflussparameter identifiziert sein und das Potenzial zur Totaldruckverlustreduktion durch Einsatz fluidischer Oszillatoren ermittelt sein. Die Effizienzsteigerung durch Strömungsbeeinflussung mit leistungsfähigen fluidischen Oszillatoren trägt bei technischer Realisierung somit unmittelbar zur Minderung des Schadstoff- und CO2-Ausstoßes bei. Das beantragte Projekt kann somit einen substantiellen Beitrag innerhalb der Förderlinie Ökoeffizientes Fliegen leisten. Erfolgreiche Bearbeitung unterstellt, besteht die Möglichkeit das erarbeitete Know How auf praxisnahe Turbinenbeschaufelungen anzuwenden und gemeinsam mit einem industriellen Partner in kommenden Phasen des nationalen zivilen Luftfahrtforschungsprogrammes des BMWi technisch nutzbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen