Strömungsinduzierter Schall in Turbomaschinen - Die Rotierende Instabilität -

• Applicants: Privatdozent Dr. Klaus Ehrenfried; Professor Dr. Lars Enghardt; Professor Dr.-Ing. Dieter Peitsch; Professor Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines ; Fluid Mechanics
• Term: from 2013 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 238477375

Die Anforderungen an moderne Turboverdichter in Bezug auf ihren Betrieb und die daraus folgende Umweltbelastung sind in den letzten Jahren enorm gestiegen. Zum einen müssen sie immer effizienter und leiser sein und zum anderen in einem großen Betriebsbereich stabil betrieben werden können. Allerdings befinden sich die Betriebspunkte höchster Effizienz oft in der Nähe der Stabilitätsgrenze. Diese Entwicklung verlangt immer detailliertere Kenntnisse der Strömungsphänomene innerhalb einer Verdichterpassage, damit kritische Betriebspunkte besser vorhergesagt werden können. Ein Strömungsphänomen, das vorwiegend in Axialverdichtern nahe der Stabilitätsgrenze auftritt und negative Auswirkungen auf Druckaufbau und Stabilität zeigt, ist die Rotierende Instabilität (RI). Die RI ist bisher nur unzureichend verstanden; auch die bisherigen Modellvorstellungen mit spaltinduzierten Wirbelsystemen bieten keine ausreichende Erklärungsgrundlage. Aktuelle eigene Untersuchungen haben demgegenüber deutliche RI Signaturen an einem spaltfreien Verdichterstator nachgewiesen und stehen damit sogar im Widerspruch zu existierenden Erklärungsmodellen. Daraus leitet sich die Formulierung einer neuen Hypothese zum Wirkmechanismus der RI ab, die auf umlaufenden Scherschichtinstabilitäten in Interaktion mit instationären Sekundärströmungseffekten in den einzelnen Schaufelpassagen basiert. Die Verifizierung dieses Erklärungsmodells soll im Rahmen des beantragten Verbundprojektes erfolgen. Durch den koordinierten Einsatz unterschiedlicher Mess- und Simulationsmethoden soll eine physikalisch schlüssige Erklärung der Rotierenden Instabilität erbracht werden, die auch deren Auftreten ohne Spalt berücksichtigt. Anhand von verifizierten Modellierungsverfahren sollen auftretende Frequenzen und modale Strukturen der RI vorhergesagt werden. Damit können kritische Betriebspunkte in Bezug auf Aerodynamik und Akustik in Zukunft schon in der Auslegungsphase eines Turboverdichters erkannt und vermieden werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Frank Thiele