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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle

Aktive Strömungsbeeinflussung an einer hoch belasteten Statorkaskade

Problemstellung und Ziel

Um in einem axialen Verdichter eines Flugzeugtriebwerks einzelne Verdichterstufen bei gleich bleibendem Gesamtdruckverhältnis einzusparen und dadurch das Gewicht, sowie die Baulänge zu reduzieren, muss jede einzelne Stufe ein höheres Druckverhältnis aufbauen. Dieses kann durch eine vergrößerte Strömungsumlenkung jeder Verdichterstufe erreicht werden. Dadurch steigt die Belastung jeder einzelnen Stufe und es muss eine Stömungsablösung auf der Verdichterschaufel verhindert werden, um einen instabilen Zustand des Verdichters (Pumpen) zu vermeiden.

Bild1: Gittermessstrecke am ILR mit RRD-Statorkaskade
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Im Transferbereich (TFB) des SFB 557 wird in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Rolls-Royce Deutschland (RRD) eine überkritische Umlenkung in einer Verdichterkaskade erprobt. Strömungsablösung und Sekundärströmungseffekte werden mit den Methoden der aktiven Strömungsbeeinflussung reduziert oder ganz unterbunden. Für diese Untersuchungen wurde spezielle eine aerodynamisch hoch belastete Statorkaskade zur Erprobung aktiver Beeinflussungsmethoden in Zusammenarbeit mit RRD entwickelt. Der Prüfstand ermöglicht Grundlagenuntersuchungen zum Einsatz unterschiedlicher Beeinflussungskonzepte im Bereich der Verdichteraerodynamik (Bild 1). Zudem ermöglicht er den Einsatz unterschiedlicher Messmethoden, wie z.B. Particle Image Velocimetry (PIV), flächige Druckmessungen und eine Nachlaufvermessung mit unterschiedlichen Sonden.


Methoden

Im hinteren Bereich der Statorschaufel liegt eine massive Strömungsablösung (Animation) vor, welche in Interaktion mit dem Längswirbelpaar der Sekundärströmung steht. Aufgrund der hohen aerodynamischen Belastungen stellt sich ein komplexer dreidimensionaler Strömungszustand in der Kaskade ein (Bild2). Für die aktive Strömungsbeeinflussung werden sowohl mit Druckluft betriebene Aktuatoren als auch massenstrom-neutrale „Synthetik-Jet-Aktuatoren“ eingesetzt. Die Effizienz der Aktuatoren kann durch eine instationäre Beeinflussung unter Ausnutzung von Scherschichtinstabilitäten wesentlich gesteigert werden, womit der für die Aktuatorik benötigte Massenstrom bzw. Energiebedarf deutlich reduziert wird.

Bild2: Strömungstopologie auf der Schaufelsaugseite mit domienierenden Sekundärströmungseffekten und einer Strömungsablösung im hinteren Bereich der Statorschaufel, visualisiert mit der Ölanstrichmethode.
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Animation: Zeitlich aufgelöste Particle Image Velocimetry Messung im Mittelschnitt der Strömungsablösung auf der Statorsaugseite (100 x Zeitlupe).

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Die Strömungsbeeinflussung erfolgt dabei an zwei unterschiedlichen Orten. In einem ersten Schritt werden die Längswirbel beeinflusst, die sich im Übergang zwischen der Schaufel und der Kaskadenwand bilden. Der Längswirbel wird durch die Beeinflussung zur Seitenwand hin verschoben (Bild 3), wobei die Statorpassage entlastet wird. Daraus resultiert eine Erhöhung des statischen Druckverhältnisses über die Kaskade, was in einem Anstieg des Hinterkantendrucks zu erkennen ist (Bild 4).

Bild3: Beeinflussung des Längswirbels mit der Seitenwandaktuatorik im Querschnitt bei einer Schaufeltiefe von x/L =70%.
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Bild4: Druckverteilung entlang der Statorschaufel mit aktiver Beeinflussung.
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Bild5: Konzept für eine geschlossene Regelung der Strömungsumlenkung und damit des Stufendruckverhältnisses.
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Weiteres Vorgehen

Eine zweite Beeinflussungsposition befindet sich im Bereich der Strömungsablösung auf der Saugseite der Schaufel. Eine Reduzierung der Längswirbel in Verbindung mit der Unterdrückung der Strömungsablösung auf der Saugseite soll eine erhöhte Strömungsumlenkung bewirken und zu reduzierten Strömungsverlusten in der Statorkaskade führen. Über eine geschlossene Regelung der Aktuatoren (Kooperation mit TP T03) sollen Störungen, wie z.B. eine Anstellwinkeländerung der Statorschaufel abgefangen werden, um somit einen stabilen Betrieb des Verdichters gewährleisten zu können. Außerdem kann durch die Regelung der benötigte Energiebedarf für die aktive Beeinflussung minimiert werden.

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