Aktive Beeinflussung von Sekundärströmungen an einer Verdichterkaskade mit Synthetik-Jet-Aktuatoren

AuszugDie vorliegende Arbeit dokumentiert die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zur aktiven Beeinflussung von Sekundärströmungen an einer hoch belasteten Statorverdichterkaskade mit Synthetik-Jet-Aktuatoren. Für diese Untersuchungen wurden Aktuatoren mit rechteckiger Austrittsöffnung in den Seitenwänden und der Schaufelsaugseite untergebracht mit dem Ziel, die durch die Sekundärströmungen hervorgerufenen Gesamtdruckverluste zu reduzieren. Die verwendeten Synthetik-Jet-Aktuatoren werden durch Piezoscheiben angetrieben und erreichen maximale Austrittsgeschwindigkeiten von ujet/u1 = 1. Die Ergebnisse zeigen, dass diese geringen Beeinflussungsamplituden ausreichend sind, um Verlustreduktionen von bis zu 10% zu erzielen. Durch die Verwendung einer Amplitudenmodulation für das Aktuatorsignal konnten die Frequenz und die Amplitude des Aktuatorsignals unabhängig voneinander variiert werden, wodurch eine detaillierte Parameterstudie für diese beiden Beeinflussungsparameter ermöglicht wurde. Die umfangreichen Strömungsuntersuchungen zeigen, dass das Strömungsfeld durch eine starke Eckenablösung und eine großflächige Strömungsablösung dominiert wird, welche hohe Gesamtdruckverluste hervorrufen. Hochauflösende X-Drahtmessungen innerhalb der Passagenströmung zeigen die Entwicklung einer Scherschicht zwischen der Eckenablösung und dem Strömungsabriss im Bereich der Schaufelmitte. Eine gezielte Beeinussung dieser Scherschicht im Frequenzbereich der natürlichen Instabilitätsfrequenz bewirkt eine Verschiebung der Scherschicht hin zur Oberfläche der Statorschaufeln und auf diese Weise eine Enddrosselung der Verdichterkaskade. Mit diesem Beeinflussungsansatz lassen sich mit kleinen Aktuatoramplituden deutliche Reduktionen im Gesamtdruckverlust erzielen. In Vorversuchen zur Untersuchung der Aktuator-Querströmungs Wechselwirkung und auch in den anschließenden Kaskadenuntersuchungen wird deutlich, dass der Hauptwirkmechanismus der Synthetik-Jet-Aktuatoren in der Erhöhung der turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen liegt und nicht der Impulseintrag. Dadurch eignen sich Synthetik-Jet-Aktuatoren besonders gut zur aktiven Beeinflussung von Scherschichten mit natürlichen Instabilitäten. Eine abschließende Leistungsbewertung des Beeinflussungsansatzes zeigt, dass Synthetik-Jet-Aktuatoren eine hohe Effektivität bei der aktiven Strömungsbeeinflussung aufweisen. Durch die Ausnutzung vorhandener Scherschichtinstabilitäten kann eine Verstärkung des Anregeimpulses erreicht werden und führt auf diese Weise zu einer positiven Gesamtenergiebilanz für den Beeinflussungsansatz.