Triebwerksradialverdichter
Seit 2001 wird dieser Prüfstand in Kooperation mit dem Triebwerkshersteller GE Aviation (GEA) zur experimentellen Untersuchung von Radialverdichterstufen betrieben. Die darin eingebaute einstufige Verdichterstufe entspricht der Auslegungsphilosophie moderner radialer Endstufen von Strahltriebwerken der unteren Schubklasse und wird in verschiedenen Anwendung eingesetzt.
Aufbau
Der modulare Aufbau des Prüfstandes ermöglicht den schnellen Ein- und Ausbau einzelner Komponenten, welche hinsichtlich ihrer globalen Leistungseigenschaften und im Detail vermessen werden. Insbesondere das Diffusionssystem lag in der Vergangenheit im Fokus detaillierter experimenteller Strömungsuntersuchungen, die auch zur Validierung von numerischen Simulationen herangezogen werden.
Die Radialverdichterstufe arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf, wodurch die Eintrittsrandbedingungen unabhängig von den Umgebungsbedingungen eingestellt werden können. Eine Messblende im Eintritt dient dabei zur Bestimmung des Eintrittsmassenstromes. Im Eintrittsplenum wird die Strömung durch Gleichrichter homogenisiert und anschließend über ein Einlaufrohr axial zu der Verdichterstufe geführt. Die aus der Stufe austretende Luft wird ebenfalls in einem Plenum gesammelt. Eine sich dahinter befindende Drosseklappe dient zur Einstellung des gewünschten Betriebspunktes.
Angetrieben wird der Verdichter von einem Drehstrommotor mit einer maximalen Leistung von 1.600 kW. Das zwischen Motor und Verdichter eingesetzte Getriebe ermöglicht Verdichterdrehzahlen von ca. 20.000 U/min. Die Verdichterwelle wird mittels aktiver Magnetlagerung schwebend und somit verschleißfrei gelagert. Die Regelung der Magnetlagerung ermöglicht das axiale Verfahren der Rotorwelle im Betrieb (z.B. im Rahmen von Spaltuntersuchungen) oder das Durchführen von Pumpgrenzmessungen.
Die bei der Verdichtung zugeführte Energie wird in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher abgeführt, so dass die Temperatur am Verdichtereintritt konstant gehalten wird. Die Regelung des Drucks wird mittels einer automatischen Druckregelung realisiert.
Die Radialverdichterstufe besteht aus einem deckbandlosen Impeller, einem Diffusor sowie einem Nachleitapparat. Um die Stufe unter ähnlichen Betriebsbedingungen zu der Triebwerksanwendung zu untersuchen, befindet sich stromauf des Laufrades ein Vorleitrad, welches in Verbindung mit dem Gehäuse und einem konusförmigen Nabenkörper die Abströmung des Axialverdichters nachbildet. Das deckbandlose Laufrad verwendet eine Haupt- und Splitterbeschaufelung. Die axiale Ausrichtung zwischen dem Laufrad und dem Diffusor kann dank der Magnetlagerung flexibel eingestellt werden.
Als Diffusor wird wahlweise ein Röhren- oder ein profilierter Schaufeldiffusor (LSD = Low Solidity Diffuser) verwendet. Der zuletzt genannte stellt eine Möglichkeit dar, um die Breite des Radialverdichterkennfeldes erheblich zu vergrößern. Darüber hinaus steht eine große Vielzahl von unterschiedlichen Nachleitapparaten zur Verfügung, die entweder als Einzel- oder Tandem-Gitter ausgeführt sind. Diese werden stromab des Diffusors eingebaut und realisieren die Umlenkung aus der radialen in die axiale Richtung. Gleichzeitig müssen Sie eine Homogenisierung der Strömung für die im Triebwerk nachfolgende Brennkammer realisieren.
Die instationäre Laufrad-Diffusor-Wechselwirkung ist bei allen Konfigurationen hoch, da der Abstand zwischen der Laufradhinter- und der Diffusorvorderkante klein gewählt wurde. Darüber hinaus bilden sich im Diffusoreintritt infolge seiner dreidimensionalen Gestaltung Sekundärbewegungen aus, welche das Strömungsbild im gesamten Diffusor prägen.
Die Untersuchungen an den unterschiedlichen Diffusoren und Nachleitapparaten verfolgen das Ziel, den Stufenwirkungsgrad zu verbessern und die Kennfeldbreite zu erweitern. Darüber hinaus wird aber auch eine Reduktion des radialen Bauraumes angestrebt.
Forschungszwecke
- Vergleiche und Detailanalysen von verschiedenen Diffusor- und Deswirler-Konfigurationen
- Bewertung von Modellierungsansätzen unterschiedlicher Komplexität in CFD-Simulationen
- Reynoldszahlvariation
- Zapfluftentnahme am Diffusoreintritt
- Axiale Ausrichtung zwischen Laufrad und Diffusor