3D Laser-Doppler-Anemometriesystem (LDA)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Bereich der Luftfahrtantriebe werden Radialverdichterstufen sowohl in Strahltriebwerken der unteren Schubklasse, als auch in Wellenleistungstriebwerken eingesetzt. Gegenüber dem Axialverdichter eignet sich der Einsatz von Radialverdichtern in diesen Anwendungen aufgrund einer deutlich höheren Leistungsdichte, einer geringeren Schwingungsanfälligkeit und kleinerer relativer Schaufelspalte. Während sich das Radialverdichterlaufrad (Impeller) durch ein robustes Betriebsverhalten und einen guten Wirkungsgrad auszeichnet, liegt im Bereich des Diffusionssystems noch beträchtliches Potenzial zur Steigerung der Druckrückgewinnung und damit auch des Wirkungsgrades. Seit 2001 wird am Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen ein Radialverdichterprüfstand in Kooperation mit einem international agierenden Triebwerkshersteller betrieben. Insbesondere das Diffusionssystem liegt dabei im Fokus detaillierter Strömungsvermessungen. Nach insgesamt fünf unterschiedlichen Kombinationen aus Diffusoren und Nachleiträdern ist seit 2014 erstmals ein aerodynamisch beschaufelter Diffusor Gegenstand der Untersuchungen. Ziel dieses neuen Stufen-Designs ist die Verbreiterung des Kennfelds bei möglichst gleichbleibender Druckrückgewinnung. Die Untersuchung der Stufe erfolgt experimentell sowohl auf Basis von globalen Kennfeldgrößen als auch auf Basis von Detailmessungen im Diffusionssystem, welches sich durch eine sehr enge Kopplung zum Verdichterlaufrad auszeichnet und somit hohe Anforderungen an die verwendeten Messtechniken stellt. Wichtiger Bestandteil der Detailmessungen im Diffusorkanal ist die nichtintrusive, d.h. berührungslose, Vermessung des Strömungsfeldes (Geschwindigkeit und Strömungswinkel) im Diffusorkanal mit dem hier geförderten Großgerät Laser-Doppler-Anemometrie-System (LDA). Die Notwendigkeit zur Anwendung einer berührungslosen Messtechnik ergibt sich hierbei aus zwei Gründen. Zum einen übt eine intrusiv-messende Sonde (z.B. eine Hitzdraht-Sonde) allein durch ihren Sondenkörper einen Einfluss auf das zu vermessende Strömungsfeld aus. Zum anderen kommt es gerade in sehr flachen, engen Strömungskanälen oder in Wandnähe von Schaufeln oder Gehäusen zu einer Versperrwirkung bzw. Verdrängung des Fluids und somit zu einer Verfälschung des Messergebnisses. Des Weiteren kann nahe der Stabilitätsgrenze des Verdichters ein Sondenkörper im Schaufelkanal eine Androsselung des Verdichters und somit eine ungewollte Verschiebung des Verdichterbetriebspunktes in den instabilen Bereich erwirken. Das hier geförderte Großgeräte machte die Messungen in dem hier sehr flachen Diffusorkanal überhaupt erst möglich. Die LDA-Messungen (durchgeführt an ca. 30 Messtagen in 2018) wurden am Wirkungsgradbestpunkt des Verdichters in insgesamt 13 Messebenen zwischen dem engsten Diffusorquerschnitt bis zum Diffusoraustritt durchgeführt. Zusätzlich wurde der Bereich des engsten Querschnitts an drei weiteren Betriebspunkten und der Diffusoraustritt an einem Betriebspunkt nahe der Stabilitätsgrenze vermessen. Verwendet wurde das geförderte LDA-Messystem mit einer dreidimensional messenden 5-Strahl-Sonde in Kombination mit einer 310mm-Fokuslinse. Die Traversierung des LDA- Messpunktes wurde mit dem ebenfalls im Rahmen des Großgeräteantrags bewilligten Traversierroboter durchgeführt. Hierzu wurde zur Ansteuerung des Roboters ein Verfahrprogramm entwickelt, welches als Schnittstelle zwischen der mitgelieferten LDA-Messsoftware und dem Roboter fungierte. Der Roboter konnte so als Traversiereinheit für die Laseroptiken erfolgreich in Betrieb genommen werden. Hierdurch war es möglich, die komplexen Messebenen im Prüfstand vollautomatisiert abzufahren und an die Datenaufnahme zu koppeln. Somit konnte Messzeit in erheblichem Maße eingespart werden. Die Verfahrund Wiederholgenauigkeiten sind dabei denen beim Einsatz herkommlicher Messtechnik-Verstellvorrichtungen vergleichbar. Eine (vorläufige) Validierung der LDA-Ergebnisse wurde bereits durchgeführt. Zu diesem Zwecke wurden die mit dem LDA-System gemessenen Absolutgeschwindigkeiten und Strömungswinkel in der Diffusoraustrittsebene mit den Geschwindigkeiten und Winkeln aus pneumatischen 3-Loch-Sonden- und Totaltemperaturmessungen verglichen. Der umfangsgemittelte Vergleich zeigt eine sehr gute Übereinstimmung der Messtechniken für den Wirkungsgradbestpunkt und einen pumpgrenznahen Betriebspunkt. Somit können die LDA-Messergebnisse und der neuartige Messaufbau mit dem Traversierroboter als valide bezeichnet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Längswirbel in einem beschaufelten Radialverdichterdiffusor mit geringem Höhen-Breiten-Verhältnis, Dissertation RWTH Aachen University ISBN 978-3-8439-4767-1
Jagdfeld, Christopher
