Experimentelle Untersuchung eines dreistufigen Axialverdichters mit CDA-Beschaufelung

Betreuer: Dr.-Ing. A. Bohne

Mit der Steigerung der aerodynamischen Belastung der Beschaufelung in Turbomaschinen sind die Anforderungen an die Qualität moderner Profile gewachsen. Entwicklungsschwerpunkte sind dabei die Erzielung höherer Wirkungsgrade und Leistungsdichten in der Maschine und in den einzelnen Komponenten. Damit gewinnt die Berücksichtigung der realen, reibungsbehafteten, instationären und dreidimensionalen Strömungsverhältnisse in den Auslegungsverfahren für die Profile zunehmend an Bedeutung. Die dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden zweidimensionalen Rechenverfahren für mehrstufige Turbomaschinen werden aus diesem Grund mit auf experimentellen Daten basierenden empirischen Modellen erweitert. Neben den bestehenden Korrelationen für Reibungseffekte ist dabei, insbesondere für vielstufige Maschinen, die Erfassung der Stufeninteraktion, der radialen Mischungsvorgänge und der Turbulenz von besonderem Interesse.

Für experimentelle Untersuchungen steht am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen ein dreistufiger Axialverdichter zur Verfügung, der mit einer invers ausgelegten CDA - Beschaufelung (Controlled Diffusion Airfoil) ausgerüstet ist. Neben den obengenannten Forschungszielen ermöglicht dieser Prüfstand auch die Untersuchung des Teillastverhaltens dieses modernen Auslegungskonzeptes. Die industrienah ausgeführte Versuchsmaschine gewährleistet dabei eine sehr gute Übertragbarkeit der gewonnennen Erkenntnisse, wobei in der Konzeption eine weitreichende Zugänglichkeit für verschiedenste Meßtechniken realisiert werden konnte.

Das derzeit laufende Forschungsvorhaben "Mehrstufiger Axialverdichter mit CDA- Beschaufelung" steht dabei in einer Reihe aufeinander aufbauender Projekte, die im wesentlichen zwei Forschungsschwerpunkte verfolgen. Zum einen dienen sie der Bereitstellung einer umfangreichen Datenbasis zum tieferen Verständnis der hochkomplexen Strömungsvorgänge in einem hochtourigen, mehrstufigen Axialverdichter. Zum anderen ermöglichen die Meßergebnisse die Bildung und Validierung von Modellen, damit die gefundenen Zusammenhänge auch in den Auslegungsverfahren abgebildet werden können. Nachdem in der Vergangenheit insbesondere die einzelnen Gitter analysiert wurden, steht jetzt die Untersuchung des gesamten Stufenverbandes und die gegenseitige Beeinflussung der Gitter untereinander im Vordergrund.

Der Teilbereich Radiale Mischung behandelt dabei die Auswirkungen von Ausgleichs- und Sekundärströmungen in radialer Richtung, die vor allem das Strömungsbild stromabliegender Gitter beeinflussen. Der Impuls-, Energie- und Massenaustausch in radialer Richtung kann von zweidimensionalen Rechenverfahren naturgemäß nicht erfaßt werden und führt insbesondere zu Fehlern in der Verlustbestimmung und der Berechnung der Stromschichtdicke.

Der Teilbereich Stufeninteraktion befaßt sich hingegen mit der gegenseitigen Beeinflussung stromab und stromauf liegender Gitter. Die durch die potentialtheoretische Stromaufwirkung und den Nachlauf hervorgerufenen instationären Effekte wirken sich dabei auf das Grenzschicht- und Verlustverhalten der umströmten Profile aus. Daneben wird durch die Beständigkeit von z.B. Nachlaufdellen und Kanalwirbeln das Sekundärströmungsverhalten stromabliegender Gitter nachhaltig von den stromauf liegenden Stufen beeinflußt.

Bei der Vermessung der Versuchsmaschine kommen unterschiedliche stationäre und instationäre Meßtechniken zum Einsatz, deren Einsatzorte sich in drei Gruppen aufteilen:

Messungen in den Axialspalten:

  • stationäre pneumatische Pitot-, 3- und 5-Lochsonden
  • instationäre Hitzdraht- und Totaldrucksonden

Messungen in den Leiträdern:

  • Sondenmessungen im Kanal bei etwa 50% Sehnenlänge
  • Messung der stationären und instationären Profildruckverteilung auf verschiedenen Kanalhöhen
  • Heißfilmmessungen auf der Profiloberfläche

Messungen in den Laufrädern:

  • stationäre und instationäre Wanddruckmessungen über der Laufbeschaufelung
  • Laser-Doppler-Anemometrie

Weitere Informationen

Instationäre Wanddruckverteilung im 1.Laufrad: Root Mean Square [mpg-Film: 335kB]
Instationäre Wanddruckverteilung im 1.Laufrad: Root Mean Square
Instationäre Wanddruckverteilung im 1.Laufrad: Ensemble Average [mpg-Film: 270kB]
Instationäre Wanddruckverteilung im 1.Laufrad: Ensemble Average