Experimentelle Untersuchungen an schwingenden Schaufeln

Betreuer: Dr.-Ing. K. Ellenberger

Die Forderung nach immer höheren Leistungsdichten im Verdichterbau führt zu einer Steigerung der Strömungsmachzahlen bis in den transsonischen Geschwindigkeitsbereich (Ma ≈ 1.0). Die hierfür geeigneten Schaufelprofile haben eine sehr schlanke Profilgeometrie, wodurch die Gefahr eines Schaufelbruchs erhöht wird. Insbesondere Strömungsabrisse bei der Profilumströmung können selbsterregte Schwingungen (Stall-Flattern) induzieren. Die dadurch entstandenen Ablösegebiete sind nicht selten die Folge einer Profilanströmung mit unterschiedlichen Inzidenzwinkeln. Daher müssen solche Effekte schon bei der Profilierung neuer Schaufelgeometrien berücksichtigt werden.

Die Entwicklung neuer Verdichter erfolgt mittels numerischer Rechenverfahren. Diese müssen anhand experimentell gewonnener Datenbanken validiert werden, damit die verschiedenen Strömungseffekte wie das Stall-Flattern und seine Auswirkungen bekannt und entsprechend simuliert werden können. Die Erstellung einer Datenbank über selbsterregte Schwingungen im transsonischen Geschwindigkeitsbereich war Aufgabe dieses Forschungsvorhabens, welches im Auftrag der Firma MTU München am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH Aachen durchgeführt wurde. Gefördert wurde diese experimentelle Forschungsarbeit im Rahmen des Luftfahrtförderprogramms Engine 3E - 2010 unter dem Förderkennzeichen 20T9402.

Die experimentellen Untersuchungen erfolgten an einem mit neun Schaufeln besetzten Verdichtergitter mit zwangserregter mittlerer Schaufel im transsonischen Geschwindigkeitsbereich bei unterschiedlichen Inzidenzwinkeln bis hin zur Abreißgrenze. Hierzu wurde die zentrale Schaufel des Gitters von vier elektromagnetischen Schwingungserregern in eine reine Torsionsbewegung mit einer Schwingungsfrequenz von f = 310 Hz und einer Schwingungsamplitude von α = 0.65° versetzt. Die Auslegung der Verdichterprofile erfolgte durch die Firma MTU. Zur Durchführung der experimentellen Arbeiten wurde ein ebener Windkanal konstruiert, welcher eine Variation der Zuströmwinkel in Bereichen von i = ± 10° Inzidenz ermöglicht. Die Untersuchungen wurden in einem Zuströmmachzahlbereich von Ma = 0.60 bis Ma = 0.88 und Inzidenzwinkeln von i = -2.5° bis i = 5° sowohl bei stehender, als auch bei schwingender mittlerer Schaufel durchgeführt.

Die Vermessung der stationären Strömung erfolgte mit Hilfe von Profildruckbohrungen im Mittelschnitt der Meßschaufel, sowie im Bereich der Gitterzu- und Abströmung. Zur Visualisierung der verschiedenen Strömungseffekte wurden zwei unterschiedliche Verfahren, das Schlierenoptik-Verfahren und das Ölanstrichverfahren, eingesetzt. Durch eine im Mittelschnitt der Meßschaufel aufgeklebte Heißfilmfolie wurde die Grenzschichtentwicklung entlang der Sehnenlänge des Schaufelprofils auf der fixierten und schwingenden mittleren Schaufel, als auch auf deren benachbarten Gitterprofilen vermessen. Die Aufzeichnung der durch die Schaufelbewegung hervorgerufenen instationären Druckschwankungen entlang des Mittelschnitts der schwingenden Schaufel und der Einfluß des Schaufelflatterns auf benachbarte Gitterprofile erfolgte mit Hilfe von oberflächenbündig angebrachten, hochauflösenden Halbleiter-Druckaufnehmern.