Spalt- und Seitenwandgestaltung bei verstellbaren Leitschaufeln in Axialverdichtern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Konrad Vogeler
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 44583228

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem abgeschlossenen Projekt sollte die Wirkungsweise und das Potential von spezischen radialen Teilspalt- und Seitenwandkonturgeometrien untersucht werden. Ein tieferes Verständnis der ursächlichen Mechanismen hinter den resultierenden Schaufelgittereigenschaften erlaubt deren gezielte Anwendung zur Steigerung von Leistung und Betriebsstabilität solcher Verstellstatoren in Hochdruckverdichtern. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird das spezische Statordesign hinsichtlich der Geometrie von Verstelleinrichtung und Ringraumwand erstmals neben konstruktiven Aspekten auch aerodynamisch optimierbar. Dabei zeigt sich, dass Teilspalte, anders als durchgehende radiale Spalte wie sie bspw. an Rotoren auftreten, abhängig von der axialen Spaltposition unterschiedliche Auswirkungen haben. Während ein Spalt im vorderen Teil der Schaufel stets negative Auswirkungen auf die Durchströmung der Schaufelreihe hat, erzielt eine Konguration mit Spalt im hinteren Schaufelbereich durchweg bessere Leistungsparameter wie Verluste und Umlenkung sowie ein deutlich homogeneres Abströmfeld mit reduzierten Sekundärströmungskomponenten im gesamten Betriebsbereich. Dieser Aspekt ist besonders für die Auslegung eines stromab folgenden Rotors interessant. Überraschend war neben dem grundsätzlichen, positiven Effekt, die Höhe der Verbesserungen gegenüber allen anderen Teilspaltprinzipien. Dabei spielt weniger die genaue Spaltgröße eine Rolle, als vielmehr die Position des Spaltes entlang der Schaufelsehne zwischen Schaufel und Nabe bzw. Gehäuse. Aufgrund der reduzierten Abmessungen der radialen Teilspalte, werden in der Folge auch die resultierenden Strömungsphänomene wie Radialspaltwirbel gegenüber Rotorkongurationen abgeschwächt. Daher lassen sich an konkreten Verstellstatorgeometrien keine relevanten (periodisch) instationären Interaktionen der einzelnen Sekundärströmungsmechanismen, wie der so genannte Spillover des Rotorspaltwirbels, detektieren. Die dominanten Amplituden liegen deutlich unterhalb der auftretenden Schwankungen und lassen sich daher nicht gezielt nutzen, aber erzeugen auch keine zusätzlichen Nachteile hinsichtlich Betriebsstabilität. Versucht man diese Teilspalte durch, infolge der notwendigen Schaufelverstellung, komplexe Konturen im Wandbereich unterhalb der Schaufel zu verhindern, entstehen aufgrund der vorliegenden Kombination aus axialer Krümmung und Rotationssymmetrie in diesem Bereich des Hochdruckverdichters in den verschiedenen Betriebspunkten der Leitschaufel unterschiedliche Sekundäreffekte auf den Strömungskanal (Kanten, Sprünge und Vertiefungen). Interessanterweise wirkt sich dies positiv auf die Ausdehnung der unvermeidbaren Eckenablösung aus und kompensiert damit den eigentlich negativen Effekt der Kontur während der Schaufelverstellung. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass nicht per se die Vermeidung der entstehenden variablen Teilspalte anzustreben ist. Da sich die charakteristischen Auswirkungen der Geometrien mit steigender Gitterbelastung infolge einer Umstaffelung der Leitreihe erhöhen, ist die gezielte Anwendung in realen Verstellstatoren angezeigt und besonders im technisch interessanten Bereich zwischen Auslegungspunkt und Teillastbetrieb des Verdichters erfolgsversprechend. Die auftretende Superposition der Mechanismen und resultierenden Effekte erlaubt eine Kombination der Vorteile aus Wandkontur und hinterer Teilspaltgeometrie im aerodynamischen Designprozess variabler Statoren künftiger Hochdruckverdichter.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Investigation of the Tip Clearance Flow in a Compressor Cascade Using a Novel Laser Measurement Technique With High Temporal Resolution. In: ASME Conference Proceedings Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C, 2011, 45176: 13-23
  Fischer, A., Büttner, L., Czarske, J., Gottschall, M., Vogeler, K. und Mailach, R.
  
• (2012): Investigation of the Tip Clearance Flow in a Compressor Cascade Using a Novel Laser Measurement Technique With High Temporal Resolution. In: ASME Journal of Turbomachinery, 134, 5: 051004
  Fischer, A., Büttner, L., Czarske, J., Gottschall, M., Vogeler, K. und Mailach, R.
  
• (2012): Penny Gap Effect on Performance and Secondary Floweld in a Compressor Cascade. In: AIAA Journal of Propulsion and Power, 28, 5: 927-935
  Gottschall, M., Mailach, R. und Vogeler, K.
  
• The Effect of four Part Gap Geometry Congurations for variable Stator Vanes in a Compressor Cascade. In: ASME Conference Proceedings Volume 8: Turbomachinery, Parts A, B, and C, 2012, 69757: 501-510
  Gottschall, M., Mailach, R. und Vogeler, K.
  
• The Effect of two dierent Endwall- Penny Concepts for variable Stator Vanes in a Compressor Cascade. In: ASME Conference Proceedings Volume 8: Turbomachinery, Parts A, B, and C, 2012, 68404: 83-93
  Gottschall, M., Mailach, R. und Vogeler, K.
  
• (2013): Vortex development induced by part gap geometry and endwall congurations for variable stator vanes in a compressor cascade. In: 10th European Turbomachinery Conference, Lappeenranta, Finland, 2013, Paper No. 159
  Gottschall, M. und Vogeler, K.
  
• (2013): Vortex development induced by part gap geometry and endwall congurations for variable stator vanes in a compressor cascade. In: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 227, 6: 692-702
  Gottschall, M. und Vogeler, K.