Kompetenzzentrum Verdichter der MTU Aero Engines AG

  Axialverdichter Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Als Teil des „Kompetenzzentrum für Verdichter“ unterhält das IST eine strategische Partnerschaft mit dem Industriepartner MTU Aero Engines zur gemeinsamen Forschung und Entwicklung von Technologien für Flugtriebwerke der nächsten Generation. Seit 2007 wurden am IST in Kooperation mit der MTU in zahlreichen Forschungsvorhaben Fragestellungen zur Aerodynamik sowie Aeroelastik & Aeroakustik von Verdichtern untersucht.

 

Technische Einführung

Schaufel Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Das Verdichtersystem gilt als die Schlüsseltechnologie eines Flugtriebwerkes. Wie durch keine andere Komponente wird durch den Verdichter die Leistung des Triebwerkes bestimmt. Das Verdichtungssystem benötigt mehr als die Hälfte der Gesamtlänge des Triebwerks und das Gewicht des Verdichtersystems trägt knapp zur Hälfte des Triebwerksgesamtgewichts bei. Die anteiligen Herstellungs- und Wartungskosten liegen bei ca. 30-40 %.

Da mit zunehmenden Gesamtdruckverhältnis der thermische Wirkungsgrad des Triebwerkes wächst und der spezifische Brennstoffverbrauch sinkt, wurde dieses in den vergangenen 50 Jahren durch Steigerung der Stufendruckverhältnisse von unter 10:1 auf über 40:1 bei zivilen Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis erhöht. Die Erhöhung der Stufendruckverhältnisse konnte aufgrund der maximal möglichen aerodynamischen Schaufelbelastung nur zu einem geringen Teil durch höhere Umlenkung im Schaufelgitter realisiert werden. Der größere Anteil an der Steigerung des Stufendruckverhältnisses resultiert aus einer höheren Umfangsgeschwindigkeit.

Eine besondere Charakteristik des Verdichters ist die Pumpgrenze, welche den stabilen Arbeitsbereich des Verdichters im Verdichterkennfeld begrenzt. Sie wird durch die aerodynamische Belastungsgrenze der Beschaufelung (Abreißgrenze) und durch die Verstimmung der Stufen bei Teillast verursacht.

Neben der Pumpgrenze ist der Wirkungsgrad des Verdichters von entscheidender Bedeutung, da dieser wesentlich den Brennstoffverbrauch des Triebwerks bestimmt. In der Kernströmung eines Schaufelgitters ist die Beschaufelung strömungsoptimiert und trägt mit weniger als die Hälfte zu den Gesamtverlusten im Verdichter bei. Große Verluste werden durch Spalt- und Sekundärströmung verursacht. Die Sekundärströmungen nehmen an Ausmaß mit der Belastung zu, da sie durch Druckgradienten in der Beschaufelung verursacht werden. Die abgebremste Geschwindigkeit kann dem entgegenwirkenden Druckgradienten in der Grenzschicht - verursacht durch die Krümmung der Kernströmung - nicht standhalten. Als Folge kommt es in Wandnähe zu Strömungsvorgängen, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verlaufen und die zu lokalen Ablösungen führen, wodurch erhöhte Verluste entstehen.

Moderne Simulationstechniken für die Turbomaschinenströmung erlauben dem Aerodynamiker durch Designoptimierung der Beschaufelung die Ursachen für die Sekundärströmung abzuschwächen und damit Sekundärverluste zu reduzieren. Beispiele dreidimensionaler Schaufelgestaltungsmerkmale sind Umfangsneigung (lean), Pfeilung (sweep) oder Konturierung.

 

Aktuelle Forschungstrends

Die nachfolgenden Trends dominieren die derzeitige Forschung am IST.

High Aspect Ratio (HAR)

Die Vergrößerung des Höhenseitenverhältnisses (aspect ratio) der Schaufeln in einem mehrstufigen Verdichter schafft zusätzlichen axialen Raum und erhöht damit die Konstruktionsflexibilität, um beispielsweise mehr Stufen in denselben axialen Raum zu integrieren.

In der Literatur werden überwiegend negative Auswirkungen eines erhöhten Aspektverhältnisses auf die Aerodynamik und Mechanik der Verdichterschaufeln genannt. Vor allem die Verringerung des Pumpgrenzabstandes und die größere Empfindlichkeit gegenüber erzwungenen Schwingungen (Forced Response) sowie selbsterregten Schwingungen (Flattern) werden als Motivation für die Entwicklung von Schaufeln mit geringen Aspektverhältnis hervorgehoben. Diese negativen Effekte können jedoch durch dreidimensionale Schaufeldesigns und absichtliches Mistuning in der integralen Bliskbauweise stark abgeschwächt werden. Hinsichtlich der Auswirkung auf den Verdichterwirkungsgrad gibt die Literatur widersprüchliche Ergebnisse. So wird für erhöhte Aspektverhältnisse ein sowohl verringerter, unveränderter als auch ein erhöhter Wirkungsgrad berichtet.

Am IST wird in Kooperation mit der MTU eine moderne HAR-Beschaufelung für den Hochdruckverdichter in Blisk-Bauweise der Rotoren auf dem hochinstrumentierten 2,5-stufigen Axialverdichter-Rig untersucht. Neben Kennfeldmessungen zur Bestimmung der Leistung und des Betriebsverhaltens des Verdichters liegt der Fokus der Untersuchungen auf aeroelastischen und aeroakustischen Phänomenen. Detaillierte Messungen der laminar-turbulenten Transition auf den Schaufeln sowie des turbulenten Zustands zwischen den Gittern tragen zudem zur Validierung der numerischen Analysewerkzeuge bei.

Sekundärströmungen

In modernen Axialverdichtern für Flugzeugtriebwerke kann eine weitere Verlustreduzierung primär in der Nähe der Seitenwände erreicht werden, wo ein Großteil der Verluste aus Sekundärströmungen resultiert. So kann sich im Eckenbereich zwischen Seitenwand und Schaufelsaugseite ein Gebiet mit abgelöster Strömung ausbilden. Von diesem dreidimensionalen Strömungsphänomen sind sowohl Rotoren (nabenseitig) als auch Statoren (an den Seitenwänden ohne Radialspalt) betroffen. Je nach Größe des Ablösungsgebietes, bezogen auf die Kanalhöhe bzw. Passagenbreite, spricht man von Corner Separation (kein) oder von Corner Stall (groß). Die Eckenablösungen haben zum einen Totaldruckverluste und zum anderen eine Blockage des Strömungskanals zur Folge, die bei zunehmender Androsselung des Verdichters bis zum Zusammenbruch der Strömung führen kann.

Zusätzlich tritt infolge des Druckgradienten zwischen Saug- und Druckseite der Schaufel eine Leckageströmung über den Radialspalt auf. Die Radialspaltströmung ist aufgrund des hohen Umfangs-Druckgradienten stark in Umfangsrichtung orientiert. Aus der unterschiedlichen Strömungsrichtung zwischen Radialspaltströmung und Hauptströmung resultiert das Aufrollen der Leckageströmung zum Radialspaltwirbel. Die hohen Totaldruckverluste werden primär durch die starken Scherungen infolge der unterschiedlichen Geschwindigkeiten beim saugseitigen Wiedereintritt der Leckageströmung.

Die Leckageströmung kann allerdings auch genutzt werden, um bei freitragenden Statoren die nabenseitige Eckenablösung abzuschwächen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Leckageströmung entgegen der Sekundärströmung in der Wandgrenzschicht strömt und somit die Ansammlung niederenergetischen Fluid im Eckgebiet zwischen Schaufelsaugseite und Nabe unterdrückt.

Am IST wird in Kooperation mit der MTU am Ringgitterwindkanal mit rotierender Nabe die Randzonenströmung an der Nabe bei freitragenden Statoren untersucht. Im Fokus stehen der Einfluss des Radialspaltes auf die Abschwächung der Eckenablösung sowie optimierte dreidimensionale Schaufelgeometrien zur Reduktion der sekundärströmungsbedingten Verluste. Das IST unterstützt mit dem Vorhaben den Industriepartner MTU im Kompetenzaufbau zur Designoptimierung der hinteren Hochdruckverdichter-Stufen.