Entwicklung von Vor-Stall-Störungen in transsonischen, mehrstufigen Axialverdichtern unter triebwerksspezifischen Bedingungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcel Stößel
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529539901

Mit dieser Studie soll das Verständnis für die Entstehung und Entwicklung von Vor-Stall-Störungen in mehrstufigen, transsonischen Axialverdichtern verbessert und erweitert werden. Der aktuelle Wissensstand basiert dabei weitestgehend auf Untersuchungen auf Komponentenebene und stellt somit den Referenzfall des Verdichterbetriebs unter reproduzierbaren Modellbedingungen dar. Um die Übertragbarkeit dieser Erkenntnisse auf die Triebwerksanwendung von Turboverdichtern zu untersuchen, wird hier vorgeschlagen, die Auswirkung von triebwerksspezifischen Störfaktoren auf die aerodynamischen Phänomene nahe der Stabilitätsgrenze systematisch zu untersuchen. Das ISA verfügt dazu über eine breite Datenbasis an experimentellen Versuchen mit dem zweistufigen Niederdruckverdichter (NDV) am Turbostrahltriebwerk Larzac 04 C5, die die Validierungsgrundlage für die vorgesehenen CFD-Studien bilden. Die Studie konzentriert sich auf die initiale Bildung von Vor-Stall-Störungen und deren Entwicklung. In einem ersten Schritt wird dazu der Larzac NDV numerisch aerodynamischen Störungen der Zuströmung und geometrischen Abweichungen ausgesetzt, wobei ein reduziertes Verdichter-CFD-Modell mit einem ZLES Ansatz verwendet wird. Es sollen qualitative und quantitative Abhängigkeiten zwischen den Störungsmustern, der zeitlichen Ausprägung und der daraus resultierenden Auslösung von Vor-Stall-Störungen ermittelt werden. Nach der Analyse der Auslösemechanismen soll die dynamische Entwicklung der Vor-Stall-Störungen nach der initialen Anregung durch triebwerksspezifische Störfaktoren untersucht werden. Dazu werden ZLES-Studien des gesamten Verdichters durchgeführt, um strömungsphysikalische Abhängigkeiten für die Verstärkung, das Abklingverhalten oder die mögliche Umwandlung von initial ausgelösten Vor-Stall-Störungen in experimentell nicht nachweisbare Störungsmuster abzuleiten. Neben der lokalen Untersuchung des physikalischen Wirkmechanismus sollen auch Erkenntnisse über eine mögliche Verschiebung der Pumpgrenze des Verdichters durch triebwerksspezifische Störfaktoren gewonnen werden. Es sollen zwei verschiedene Drehzahlen untersucht werden, um für den Flugbetrieb relevante Betriebsbedingungen abzubilden. Der Nutzen des vorgeschlagenen Forschungsvorhabens liegt in der Übertragung des bestehenden Wissens über Stall-Mechanismen von Modellbedingungen auf Triebwerksbedingungen. Die Studie wird Grundlagen für relevante Einflussfaktoren auf das Verhalten vor dem Strömungsabriss liefern, die in der Entwicklung und im Betrieb von transsonischen, mehrstufigen Turbokompressoren in Flugtriebwerken zu berücksichtigen sind. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse konkrete Hinweise für die Weiterentwicklung von Systemen zur Stall-Früherkennung und für den gezielten Einsatz aktiver und passiver Strömungsstabilisierungsmaßnahmen liefern, um die Komponenteneffizienz zu verbessern und einen Beitrag zur globalen Treibstoffeinsparung im Luftverkehr zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Dragan Kozulovic