Charakterisierung von Riblet-Oberflächen hinsichtlich ihres Widerstandsreduktions-Potentials, Entwicklung eines semi-empirischen Vorhersage-Tools zum Widerstandsverhalten und experimentelle Validierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Paketantrags „Riblets für Verdichterschaufeln“ wurde die Anwendung von widerstandsvermindernden Rillenoberflächen auf Verdichterschaufeln axialer Strömungsmaschinen untersucht. Neben der Frage, ob die Rillenstrukturen generell für die Verdichteranwendung geeignet sind, wurden zwei Fertigungsverfahren zur Strukturierung von Verdichterschaufeln untersucht. Anhand der aus einer Strömungssimulation erhaltenen Wandreibungskoeffizienten wurde die für den Gitterwindkanal des Instituts für Turbomaschinen und Fluid Dynamik der Universität Hannover die Rillenweite für das gewählten Verdichterprofils ausgelegt und eine Abschätzung der Widerstandsverminderung durchgeführt. Mittels einem Laser-Abtragverfahren und einer Schleiftechnik mit abgerichteten Schleifscheiben wurden Rillenstrukturen auf Schaufeln aus einem typischen Werkstoff für Turbomaschinenbeschaufelungen für Gitterwindkanal-Untersuchungen hergestellt. Als Zielgeometrie wurde eine vom DLR optimiert Rillengeometrie verwendet. Mit den beiden in dem Projekt eingesetzten Verfahren lässt sich die vorgegebene Rillenform aufgrund der technischen Randbedingungen nur angenähert darstellen. Die so erzeugten Oberflächenstrukturen wurden in einem vergrößerten Maßstab im Berliner Ölkanal auf ihre Widerstandseigenschaften hin untersucht. Die mit der Laser- und Schleiftechnik hergestellten Rillenoberflächen vermindern im Ölkanal-Versuch den Wandreibungswiderstand maximal um 3% beziehungsweise um 4%. Um die mit den beiden Herstellungsverfahren erzeugten Riblet-Oberflächen ohne aufwändige Experimente beurteilen zu können, wurde ein Verfahren zur Vorhersage der Widerstandseigenschaften von Riblet-Oberflächen weiterentwickelt und genutzt. Kernstück dieses Verfahrens ist die Berechnung der sogenannten Herausraghöhen der Rillenoberflächen. Diese Herausraghöhe beschreibt die Ursprungslage der Geschwindigkeitsprofile der Komponenten für Längs- und Querströmung, in die die turbulente Strömung aufgeteilt wird. Mit dieser viskosen Strömungssimulation werden diese Ursprungslagen der Geschwindigkeitsprofile ermittelt, je größer diese Differenz der Ursprungslagen der Geschwindigkeitsprofile ist, desto größer ist die mit dieser Riblet-Geometrie erreichbare Widerstandsverminderung. Diese Differenz der Ursprungslagen der Geschwindigkeiten proportional zur Widerstandsverminderung in dem Bereich, in dem die Riblets in die viskose Unterschicht der turbulenten Strömung eingebettet sind. Die Vorhersagen zur Widerstandsverminderung beinhalten auch eine Berücksichtigung der durch die Rillenstruktur bedingten Vergrößerung der benetzten Oberfläche. Die mit diesem Vorhersageverfahren erstellten Prognosen für die Widerstandseigenschaften der in dem Projekt untersuchten Rillenoberflächen stehen in guter Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Widerstandsdaten. Die Untersuchung an Verdichterschaufeln mit Riblets ist nach wie vor von Interesse und wird an der Uni Hannover weiterhin betrieben. Die Untersuchung der Strömungsbeeinflussung in Verdichtergittern axialer Strömungsmaschinen durch Riblets ist noch nicht abgeschlossen. Die Methode der direkten Strukturierung der Schaufeln hat zurzeit noch zwei Nachteile: Die Riblet- Strukturierung mit dem Laser-Abtragsverfahren oder dem Beschleifen mit abgerichteten Schleifscheiben ist zeitaufwendig. Wird die Schaufel regeneriert, geht die Oberflächenstrukturierung verloren. Möglicherweise kann man ein Beschichtungsverfahren entwickeln, dass eine Struktur integriert, die zur Strömungsbeeinflussung dient. Dies hätte den Vorteil, dass bei einer Regenerierung der Schaufel die in die Schaufel integrierte funktionale Oberfläche nicht verloren geht, sondern nach der Regeneration wieder aufgetragen werden kann. Diese Arbeiten werden weiterhin vom DLR durchgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Riblets on compressor blades. Proceedings of the European Drag Reduction and Flow Control Meeting, Ischia, Italien, 10.-14.4.2006
Hage, W., Knobloch, K., Meyer, R.
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Exploratory Experiments on Machined Riblets for 2-D Compressor Blades, Proceedings of IMECE2007 2007 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 11-15, 2007, Seattle, Washington, USA
Oehlert, K. Seume, J. Wang, B. Denkena, B. Hage, W. Knobloch, K. Meyer, R., Frank Siegel, F. Ostendorf,A. Vynnyk, T. Reithmeier, E.
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Zur Vorhersage der Widerstandseigenschaften von Riblet-Oberflächen. Interner DLR Bericht DLR-IB-92517-08/B3: 2008
Hage, W., Knobloch, K., Meyer, R.
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Recent results on turbulent drag reduction using riblet structures; eingeladener Vortrag, in Minisymposia 3: Near-wall Turbulence Control and Viscous Drag Reduction, GAMM 2010 81st Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics Karlsruhe 2010
Hage, W. & Wassen, E.
