Aerodynamische Gestaltung von strukturierten Einlaufbelägen für Axialverdichterrotoren

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Einsatzbereich von Gehäusestrukturierungen betrachtet. Dabei werden Strukturierungen speziell zur Integration in Einlaufbeläge für Axialverdichterrotoren entwickelt und deren Wirkung auf die Verdichteraerodynamik untersucht. Ziel der Strukturierungen ist ein verbessertes Einlaufverhalten, wodurch Schäden am Rotor-Schaufelblatt beim Anstreifen am Gehäuse verhindert werden sollen. Gleichzeitig darf jedoch die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Verdichters nicht durch die Strukturierung des Gehäuses nachteilig beeinflusst werden. Um Strukturierungsgeometrien zu finden, die diesen Zielen genügen, wird auf dem in der Literatur vorhanden Know-How sowie den Modellierungs- und Simulationstechniken aus der Casing Treat-ment-Entwicklung aufgebaut. In einer Vorstudie werden übliche Casing Treatment-Bauweisen für den Einsatz in Strukturierungen abgewandelt und kombiniert. Instationäre Strömungssimulationen der Gehäusestrukturierungsvarianten, appliziert auf der transsonischen Verdichterstufe (Rotor-4/Stator-2) der TU Darmstadt (GLR), zeigen, dass Kombinationen aus mehreren Umfangsnuten und vor allem neuartige spiralförmige Nuten ein großes Potential für die Zwecke der Einlaufbelagsstruk-turierung besitzen. In einer Detailuntersuchung wird die Steigung der Spiralnuten (Pitch) sowie die Tiefe der Nuten systematisch variiert und der Einfluss dieser Geometrieparameter auf die Wirkungsweise der Gehäusestrukturierungen evaluiert. Dazu werden wiederum instationäre Strömungssimulationen mit der Darmstädter Verdichterstufe bei 80 und 100% Auslegungsdrehzahl durchgeführt und untersucht, inwieweit sich Arbeitsumsatz und Wirkungsgrad des Rotors ändern und welcher Wirkmechanismus den Änderungen zugrunde liegt. Bei der Konfiguration, welche die Ziele der Arbeit am besten erfüllt, handelt es sich um eine Variante, bestehend aus insgesamt 16 spiralförmigen Nuten mit moderater positiver Steigung (Pitch 92mm) und einer Nuttiefe von jeweils 2mm (2.1% hK). Bei dieser Konfiguration wird das bei einem Anstreifvorgang abgetragene Belagsvolumen, im Vergleich zum Ausgangsfall mit unstrukturiertem Gehäuse, um 29% reduziert. Der Spitzenwirkungsgrad wird durch die Variante leicht verbessert, der aerodynamisch stabile Betriebsbereich bleibt jedoch unverändert.