Wandnahe Strömung in Beschaufelungen von Turbomaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich; Professor Dr.-Ing. Ronald Mailach
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461733375

Im laufenden Projekt wird die wandnahe Strömung in Turbinen- und Verdichtergittern grundlegend untersucht. Die Arbeiten zu Turbinengittern haben ein sinnvolles Ende erreicht, doch stellen sich basierend auf den erreichten Ergebnissen eine Reihe von Forschungsfragen zur Strömung in Verdichtern, die in einer zweijährigen Fortsetzungsphase beantwortet werden sollen, um wichtige anwendungsrelevante Aspekte der wandnahen Strömung aufzuklären. Während in der aktuellen Phase die einzelne Stufe im Vordergrund stand, insbesondere die Übertragbarkeit von Resultaten für die wandnahe Strömung von linearen Gittern auf rotierende Gitter, und nur Zylindernachläufe als Modell eingesetzt wurden, soll dies nun auf komplexere wandnahe Rotor-Stator-Interaktion (RSI) erweitert werden. Dazu soll in der Fortsetzungsphase zunächst der Übergang auf realistische Zuströmbedingungen eines realen, mehrstufigen Verdichters vollzogen werden. Einerseits geschieht dies durch experimentelle Untersuchungen mit einem profilierten, nicht-umlenkenden Nachlauferzeuger und nachfolgendem Rotor sowie in der dritten Stufe des vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichters. Andererseits werden hochauflösende Large Eddy Simulationen (LES) durchgeführt, in denen für diese Konfigurationen speziell konzipierte modular gestaltete Einlassbedingungen die zweifelsfreie Identifikation der Effekte erlauben. Durch das methodisch eng abgestimmte Vorgehen kann die Rolle der einzelnen Strömungsanteile in der Zuströmung auf wandnahe Strömung, Sekundärströmungen und Verlustentwicklung im Rotor aufgeklärt werden. Einen Beitrag dazu liefert auch die genaue Analyse der Turbulenzstruktur in der seitenwandnahen Strömung unter Einwirkung der RSI. Dies geschieht durch die den kombinierten Einsatz von wandaufgelösten LES und einem innovativen Messverfahren, dem Laser-Doppler-Profilsensor. Als drittes Themenfeld stellt sich die Frage nach der Übertragbarkeit der bisherigen Resultate auf die Situation in Teillast-Betriebspunkten, wobei zu erwarten ist, dass sich die wandnahe RSI mit höherer aerodynamischer Belastung deutlich ändert. Auch zeigen aktuelle Resultate ihren Einfluss auf die Auslösung von Rotierender Ablösung, also die Begrenzung des Betriebsbereichs. Hier ist unter anderem der Einfluss der Radialspaltweite, insbesondere bei großen Spalten, zu untersuchen. Die für die Fortsetzungsphase geplanten Arbeiten sollen eine detaillierte Analyse der wandnahen Strömung unter Einfluss von RSI liefern und ein verbessertes physikalisches Grundlagenverständnis generieren, mit der Vision, langfristig eine Reduzierung der Verluste, Steigerung des Wirkungsgrads und Erweiterung des stabilen Betriebsbereichs zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen