Experimentelle und skalenauflösende numerische Untersuchungen zur Funktion von Umfangsnuten in subsonischen Axialverdichterstufen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich; Dr.-Ing. Martin Lange
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500054096

Axialverdichter, wie sie in Gasturbinenanlagen und als Prozessverdichter zum Einsatz kommen, haben wirtschaftlich große Bedeutung, mit ständig steigenden Anforderungen an maximalen Wirkungsgrad, größere Druckverhältnisse und flexiblen Betrieb. Betriebsbereich und Wirkungsgrad sind dabei stark von den im transienten Fahrbetrieb variierenden radialen Spaltweiten zwischen rotierenden und stehenden Bauteilen abhängig. Diese Spalte lassen sich nicht im gleichen Maße skalieren wie die Beschaufelung, so dass die aktuellen Entwicklungstrends zu immer größeren relativen Spaltweiten führen. Durch Umfangsnuten über den Rotoren lässt sich der negative Einfluss der Radialspalte auf Wirkungsgrad und Stabilitätsgrenze vermindern, doch liegen besonders für sehr große relative Spaltweiten fast keine experimentellen Daten vor. Zur numerischen Auslegung von Casing Treatments mit Umfangsnuten bedarf es außerdem verlässlicher Simulationswerkzeuge. Stand der Technik sind jedoch derzeit RANS-Verfahren, die dies nur begrenzt leisten. Hier erfordert die Bestimmung von Wirkungsgrad und Stabilitätsgrenze instationäre turbulenzauflösende Verfahren, bei denen jedoch Forschungsbedarf besteht, um mit den verfügbaren Ressourcen die hoch komplexen physikalischen Mechanismen genau genug abzubilden. Das Projekt soll die offenen Fragen zur physikalischen Wirkungsweise von Umfangsnuten durch detaillierte Untersuchungen klären. Hierzu gehören besonders der Einfluss auf die Effizienz und die Beeinflussung der Strömung nahe der Stabilitätsgrenze, wie auch die Interaktion zwischen den Stufen. Das Projekt vereinigt zur Erreichung seiner Ziele physikalische Experimente an einem Niedergeschwindigkeitsverdichter mit turbulenzauflösenden numerischen Simulationen. Dieser Ansatz schafft durch die komplementär gewonnenen Daten substanziellen Mehrwert. Die Experimente liefern globale Daten über einen weiten Parameterbereich und, mit aufwändigeren Verfahren, verlässliche lokale Informationen in bestimmten Ebenen. Die rechenzeitintensiven instationären Simulationen erlauben für ausgewählte Fälle einen detaillierten Einblick in die Interaktion der verschiedenen Effekte in der gesamten Strömung, z.B. in den Nuten, und können mit den experimentellen Daten validiert werden. Diese Simulationsmethoden sind jedoch nach dem Stand der Wissenschaft für derart komplexe Strömungstypen noch nicht so verlässlich wie dies benötigt wird. Wird der hohe Aufwand reduziert, etwa durch grobe Gitter oder stärkere Modellierung, besteht die Gefahr, dass die Qualität der Resultate sogar unter die von Standardverfahren sinkt. Daher arbeiten beide Antragsteller gemeinsam an dem Ziel, eine verlässliche, praxistaugliche hybride LES/RANS Simulationstechnik für diese Thematik zu generieren, erstens durch Weiterentwicklung vorhandener Ansätze, zweitens durch intensive Vergleichsstudien und Erstellen von Best-Practice-Guidelines.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Ronald Mailach