C. Beselt, D. Peitsch, B. Pardowitz, L. Enghardt

Bei der Auslegung eines Verdichters fur Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen wird derzeit noch ein großer Sicherheitsabstand zur Stabilitätsgrenze (20% stall margin) gefordert, um eine eventuelle Absenkung der Abreissgrenze z.B. durch unerwartete Einlaufstörungen sowie Spaltveränderungen aufzufangen. Eine genauere Kenntnis der Spalt- bzw. Spaltwirbelströmung wurde ein enormes Entwicklungspotential beinhalten, weil schon wahrend der Entwurfsphase eines Verdichters der zwingend erforderliche Pumpgrenzenabstand besser überprüft werden kann, bzw. das Stufendruckverhältnisse erhöht und Verluste reduziert werden konnen. Am Fachgebiet Luftfahrtantriebe der TU Berlin wurde zur Untersuchung rotierender Strukturen ein Verdichterringgitterkanal entworfen und gebaut. In frühere Forschungsarbeiten konnten daran erstmals Rotierende Instabilitaten (RI) in einem stehenden Ringgitter detektiert werden. Als Ursache dieser Rotierenden Instabilität wird in der Literatur das ausgeprägt instationare Verhalten bzw. Aufplatzen des Spaltwirbels vermutet. Im Rahmen des DFG-Projektes "Strömungsinduzierter Schall in Turbomaschinen - Die Rotierende Instabilität" wird dieses Thema aktuell wieder aufgegriffen, da der physikalische Entstehungsmechanismus und somit die Ausbildung der RI bislang noch nicht vollständig verstanden sind. Beteiligte Partner sind drei Fachgebiete der TU Berlin sowie das DLR mit der Berliner Abteilung Triebwerksakustik des Instituts fur Antriebstechnik. Das Projekt deckt ein weites Spektrum an Untersuchungen ab: Experimentell sind instationäre Messverfahren in Hinsicht auf die Nahfeldstruktur (punktuell zeitaufgelöst fur Geschwindigkeit und Druck und auch visuell flächig durch schnelle optische Verfahren) und das akustische und aerodynamische Fernfeldverhalten vorgesehen und analytisch wird mittels Modellbildung im Enstehungsgebiet und somit dem akustischen Quellbereich der RI ein vertieftes Verständnis gesucht. Beides wird mit hochwertigen numerischen Simulationsverfahren begleitet. Die vorliegende Arbeit stellt das experimentelle Vorgehen vor. Sowohl die Anströmmachzahl wie auch der Anströmwinkel zum Verdichtergitter wurden variiert, um nachzuweisen, ob und inwiefern diese Parameter das Phänomen RI beeinflussen. Die Anström-Machzahl wurde dabei in einem Bereich zwischen Ma = 0,2 - 0,6 und der Anströmwinkel im Bereich von -8° bis 25° variiert. Die Detektierung der RI wurde mit wandbündig montierten instationären Drucksensoren in der Zu- und Abströmung des Verdichtergitters durchgeführt. Mit verschiedenen Verfahren der Signalverarbeitung konnten charakteristische Eigenschaften des Phanomens, z.B. die zeitliche Entwicklung, die Ausbreitung im Kanal und die azimutale Schallfeldstruktur untersucht werden. Dabei wurde gezeigt, dass neben dem Quellmechanismus der RI die Geometrie des gesamten Prüfstandes einen deutlichen Einfluss auf die Schallabstrahlung des Verdichtergitters hat. Weiterhin wurden in ausgewählten Betriebspunkten, in denen die RI detektiert wurde, Untersuchungen der stationären An- und Abströmung des Verdichtergitters mittels Fünflochsonden sowie Strömungsvisualisierung (Ölanstrichverfahren) durchgeführt. Neben den strömungsmechanischen werden auch die akustischen Eigenschaften des Ringgitterkanals, sowie die Auswirkung der RI auf die Entstehung von Breitbandlärm untersucht.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2011

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 11 Seiten

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress Tagungsband - Manuskripte, 2011, 2011; S.913-923; 2011; Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn

NA

spaltwirbel, rotierende instabilität

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2011