Vorhersage von akustischer Resonanz in einem mehrstufigen Hochgeschwindigkeits-Axialverdichter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Seume
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Akustik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468461660

Ökonomische und gesetzliche Forderungen nach dem flexiblen Einsatz von Flugtriebwerken und Kraftwerken führen zwingend zu einem vermehrten Betrieb der Turbomaschinenkomponenten abseits des Auslegungspunktes. Der Verdichter stellt diesbezüglich die kritischste und hinsichtlich der Auslegung die Komponente mit den größten Herausforderungen dar. Neben umfassendenUntersuchungen der aerodynamischen Instabilitäten der Rotierenden Ablösung, des Pumpens und seit einigen Jahren auch der Rotierenden Instabilität, wurden im Betrieb nahe der Stabilitätsgrenze hohe Druckfluktuationen in Axialverdichtern als akustische Resonanz identifiziert. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass akustische Resonanz mechanische Vibrationen anregen kann, die zu schweren Schaufelschäden und plötzlichen Strukturversagen führen können. Darüber hinaus zeigt die Forschung, dass akustische Resonanzen die Stabilitätsgrenze zu höhere Massenströme verschieben können, indem sie Rotierende Ablösungen und Pumpen auslösen. Da mehrere kommerzielle Hersteller von Turbomaschinen akustische Resonanzen beobachtet haben, besteht ein erheblicher Bedarf nach Verständnis und Charakterisierung der physikalischen Vorgänge bei diesem Phänomen, um es in zukünftigen Auslegungsprozessen zu berücksichtigen. Erste Ansätze des Antragstellers und seiner Mitarbeiter haben zu zwei Modellen zur Vorhersage und Charakterisierung akustischer Resonanzen geführt, jedoch ist eine Validierung der Modelle notwendig. Zu diesem Zweck ist ein verbessertes physikalisches Verständnis über den Entstehungsmechanismus der stehenden Wellen und der Anregungsmechanismen unerlässlich. Daten für dieses Phänomen wurden allerdings in der offen zugänglichen Literatur nur selten veröffentlicht. Ziel des geplanten Projekts ist es, weitere Erkenntnisse über den Anregungsmechanismus und die Resonanzbedingungen bei mehrstufigen Axialverdichtern zu gewinnen. Erstmals werden in einem mehrstufigen Hochgeschwindigkeits-Axialverdichter, der unter realistischen Betriebsbedingungen betrieben wird, umfangreiche simultane Messungen der Blattspitzenströmung und des akustischen Resonanzfeldes durchgeführt. Basierend auf den hochgenauen Messungen und numerischen Simulationen wird die Validierung und Kalibrierung der Vorhersagemodelle durchgeführt, um ein Verfahren zur Vorhersage des Auftretens von akustischen Resonanzen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen