Entwicklung von Fertigungsverfahren zur lokalen Strukturierung, Charakterisierung der Oberflächen und experimentelle Bewertung der Verlustminderung, Untersuchung des Verschmutzungsverhaltens, Vorbereitung der Übertragung auf 3-D Verdichterprofile, Untersuchung des Einflusses von Riblets auf die Grenzschichttransition
Final Report Abstract
Im Rahmen der dritten Projektphase des DFG-Paketprojektes „Riblets für Verdichterschaufeln“ wurden wissenschaftliche Grundlagen für die zukünftige industrielle Anwendung von Riblets auf Verdichterschaufeln von Flugtriebwerken oder Gasturbinen erarbeitet. Dazu wurden zum einen experimentelle Untersuchungen im Gitterwindkanal des Instituts für Turbomaschinen und Fluid- Dynamik (TFD) zur aerodynamischen Wirksamkeit und Verschmutzung von Riblets auf NACA 6510 Verdichterprofilen unter Turbomschinen-ähnlichen Strömungsverhältnissen durchgeführt. Die Riblets wurden dazu mit Hilfe der industriell einsetzbaren Fertigungsverfahren Laser-Abtrag am Laser Zentrum Hannover (LZH) und durch Schleifen am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) hergestellt. Zum anderen wurde am TFD ein Prognosewerkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe es möglich ist, den Einfluss der durch Laser- Abtrag und Schleifen hergestellten, nicht-idealen Riblet-Strukturen, deren Geometrieparameter fertigungsbedingt stochastisch verteilt sind, auf die lokale Wandschubspannung und die Profilverluste linearer Verdichterkaskaden vorherzusagen. Aus den Ergebnissen der probabilistischen Berechnungen mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation können erstmals systematisch Maßnahmen zur weiteren aerodynamischen Verbesserung der geschliffenen und Laser-strukturierten Oberflächen abgeleitet werden. Durch die Berücksichtigung des Einflusses eines positiven Druckgradienten auf die Verstärkung der Wandschubspannungsreduktion wird besonders für saugseitig applizierte Riblets die Diskrepanz zwischen theoretisch und experimentell bestimmter Profilverlustreduktion signifikant reduziert. Somit wird analog zu den Untersuchungen an ebenen Platten erstmals für Verdichterschaufeln nachgewiesen, dass dem Einfluss eines positiven Druckgradienten eine entscheidende Bedeutung beizumessen ist. Wegen der höheren positiven Druckgradienten im Bereich der turbulenten Grenzschicht auf der Saugseite von Verdichterprofilen verspricht die Anwendung von Riblets gerade auf der saugseitigen Schaufeloberfläche aerodynamisch hoch belasteter Verdichterprofile eine signifikante Minderung der Profilverluste. Die Applikation von Riblets auf der Druckseite lässt dem gegenüber somit zumeist wegen des geringeren Anteils der Reibungsverluste an den gesamten Reibungsverlusten des Profils bedingt durch niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten und dem geringeren Druckgradienten im Vergleich zur Saugseite einen geringeren Beitrag an der Profilverlustreduktion erwarten. Das entwickelte Prognosewerkzeug ermöglicht erstmals ergänzend zu den Messdaten, den aerodynamischen Einfluss von Riblets auf der Saug- und Druckseite sowie durch die lokale Anpassung und Schräganströmung systematisch zu bewerten. Es wird gezeigt, dass für das untersuchte NACA 6510 Verdichtergitter die lokale Anpassung von Riblets entlang der Schaufeloberfläche ausschließlich auf der Saugseite bedingt durch das höhere Wandschubspannungsniveau und den höheren positiven Druckgradienten im Vergleich zur Druckseite zu einer zusätzlichen Minderung der Profilverluste führt. Vor dem Hintergrund, dass für das untersuchte NACA 6510 Verdichtergitter durch eine saugseitig dem Strömungsverlauf ideal angepasste Riblet-Geometrie die Profilverluste im Vergleich zu Riblets mit konstanter Rillenweite maximal um zusätzliche Δω/ω0 = -0.74% reduziert werden können, erscheint die Wahl von vier Segmenten als ein guter Kompromiss. Durch vier Segmente werden die Profilverluste zusätzlich bereits um Δω/ω0 = -0.56% reduziert. Durch eine systematische Variation des Anstellwinkels von Riblets mit einem ideal trapezförmigem Rillenquerschnitt und konstanter Geometrie entlang der Schaufeloberfläche wurde sowohl experimentell als auch mit numerischen Strömungssimulationen nachgewiesen, dass auf der Saugseite des untersuchten NACA 6510 Verdichtergitters ein Anstellwinkel bis zu φ = 20° toleriert wird. Für φ > 20° nehmen die Profilverluste signifikant zu. Ergänzend zu den aerodynamischen Untersuchungen wurden erstmals Untersuchungen zum Verschmutzungsverhalten Riblet-strukturierter Verdichterschaufeln unter Turbomaschinenähnlichen Strömungsverhältnissen durchgeführt. Im Rahmen der Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Verschmutzung entlang der Schaufeloberfläche von der Schaufelvorder- zur Hinterkante zunimmt. Während die Partikelablagerung entlang der glatten Schaufeloberfläche stochastisch ist, lagern sich die Partikel an den Riblet-Oberflächen primär im Spitzenbereich an. Anhand der Ergebnisse zu den Untersuchungen des integralen Verschmutzungsverhaltens Ribletstrukturierter Schaufeloberflächen wird gezeigt, dass Riblet-Oberflächen mit einer ideal trapezförmigen Rillengeometrie und scharfen Spitzen integral unter Berücksichtigung des Messfehlers tendenziell weniger verschmutzen als die vollständig glatte Oberfläche. Dahingegen wird auf Verdichterschaufeln mit Laser-strukturierten, nicht ideal ausgeführten Riblet- Geometrien eine signifikante Mehrverschmutzung im Vergleich zur glatten Oberfläche nachgewiesen. Dieser Effekt ist vermutlich in der fertigungstechnisch einhergehenden Erhöhung der Oberflächenrauheit durch das Laser-Abtrag Verfahren begründet sowie in der geminderten Fähigkeit zur Hemmung der Querbewegungen der kohärenten Wirbelwalzen an der Wand. Aerodynamische Untersuchungen zur Profilverlustreduktion verschmutzter Verdichterschaufeln zeigen, dass die Profilverlustminderung einer verschmutzten Riblet-strukturierten Schaufel geringer als im sauberen Zustand ausfällt. Mit der im Rahmen der Versuche gewählten Partikelkonzentration und Verschmutzungsdauer wird das Profilverlustreduktionspotential um ca. 38% durch die Verschmutzung der Riblet-Oberfläche vermindert.
Publications
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