Experimentelle und Numerische Untersuchung eines Radialverdichters mit Pipe Diffusor

Betreuer:  Dipl.-Ing. Peter KaluzaChristian Landgraf, M.Sc., Dipl.-Ing. Johannes Schmidt

Zielsetzung

Im Jahre 2000 wurde am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH Aachen in enger Zusammenarbeit mit der Firma General Electrics Aircraft Engines ein Forschungsprojekt im Bereich der Radialverdichterströmung gestartet. Die untersuchte Verdichterstufe entspricht der Auslegungsphilosophie moderner radialer Endstufen, wie sie in Strahltriebwerken der unteren Schubklasse verwendet werden.

Das Ziel dieses Projektes ist die umfassende Untersuchung der komplexen Strömungsphysik sowie die Optimierung bzw. Neuauslegung einzelner Komponenten der Radialverdichterstufe.

Vorgehensweise

Experiment

Im Rahmen des Projekts wurde am IST in enger Zusammenarbeit mit GEAE ein neuer Radialverdichterprüfstand mit Pipe-Diffusor entwickelt und aufgebaut.

Ziel der experimentellen Untersuchungen ist zum einen der Aufbau einer Datenbasis und zum anderen die detaillierte Vermessung der Diffusorströmung. Diese Daten werden im Weiteren verwendet, um die numerischen Simulationen zu validieren. Dazu ist der Prüfstand außerst flexibel aufgebaut, um umfassende Parametervariationen möglich sind. Durch den Betrieb im geschlossenen Kreis kann der Verdichtereintrittsdruck von 0,4 bis 3,0 [bar] variiert werden, wodurch Reynolds’zahluntersuchungen durchgeführt werden können. Weiterhin kommt der Prototyp einer aktiven Magnetlagerung zum Einsatz, der Rotorspaltvariationen unter Volllast zulässt. Ebenfalls wird der Einfluss von Zapfluftentnahme hinter dem Rotor untersucht. Zur detaillierten Strömungsuntersuchung ist der Diffusor mit verschiedenen Einsätzen versehen, die eine umfassende Zugänglichkeit gewährleisten. Zur Vermessung des instationären Strömungsfeldes im Diffusor werden hochspezialisierte Messtechniken wie instationäre Wanddruckaufnehmer  und das laseroptische Messverfahren „Particle Image Velocimetry“(PIV) verwendet. Das so erfasste 2-dimensionale Geschwindigkeitsfeld ermöglicht einen umfassenden Einblick in die komplizierten Strömungsverhältnisse wie z.B. Ablösungen.

Numerik

Für die numerische Untersuchung verwendet das IST zwei moderne 3D Strömungsloser, die sowohl stationäre als auch instätionäre Simulationen der Verdichterstufe ermöglichen. Die numerischen Untersuchungen sind in zwei Kategorien einzuordnen:

  • In einem ersten Schritt werden Validierungsrechnungen durchgeführt. Mit diesen Simulationen wir sichergestellt, dass eine ausreichende Übereinstimmung zu den Messungen gewährleistet werden kann. Sofern diese Forderung erfüllt ist, liefern die numerischen Simulationen einen deutlich höheren Einblick in das Strömungsfeld und ergänzen somit die Messungen insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen der Stufe.
  • Im Weiteren Verlauf wird die Numerik verwendet, um zuerst das Nachleitrad (Deswirler) und anschließend den Diffusor hinsichtlich des Stufenwirkungsgrades unter bestimmten aerodynamischen Randbedingungen zu optimieren.

Projektpartner