Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Die heutige und zukünftige Entwicklung beim Entwurf von Axialverdichtern für die Anwendung in Flugzeugtriebwerken ist immer stärker davon geprägt, ein möglichst großes Druckverhältnis mit möglichst wenigen Stufen zu erzeugen. Ziel ist es, möglichst viel Leistung mit möglichst geringem Gewicht umzusetzen, um die Effizienz der Maschine weiter zu verbessern. Um dies zu erreichen, muss eine Erhöhung der Stufendruckverhältnisse und damit eine Erhöhung der Stufenbelastung in Kauf genommen werden. Die höhere Belastung hat jedoch einen Anstieg der Verluste aufgrund der stärker werdenden Sekundärströmungen zur Folge, und wirkt sich zunächst negativ auf die Stabilität und den Wirkungsgrad der Maschine aus. Diese negativen Effekte können nur durch eine Weiterentwicklung der Schaufelgeometrie kompensiert werden. Hierbei stoßen die derzeit benutzten Entwurfsmethoden jedoch an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurde ein neues Verfahren für den dreidimensionalen Entwurf von Rotoren in Axialverdichtern entwickelt. In dieser Arbeit wird dessen Entwicklung präsentiert. Das Verfahren umfasst die systematische Anwendung von Pfeilung und V-Stellung, sowie die dreidimensionale inverse Berechnung der radialen Skelettlinienverteilung. Um damit eine Verbesserung des Rotorwirkungsgrades zu erreichen, müssen vor allem die kritischen wand- bzw. spaltnahen Bereiche optimal an die Strömungsumgebung angepasst werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt ausführlich die theoretischen Grundlagen der Rotorströmung und des Rotorentwurfs. Basierend darauf werden für die Umsetzung eines vollständigen dreidimensionalen Schaufelentwurfs zwei Panelverfahren zur Berechnung der dreidimensionalen jedoch reibungslosen Strömung, zur Lösung der Nachrechen- bzw. der Entwurfsaufgabe, entwickelt. Die Panelverfahren werden angewandt, um eine Methodik für den effektiven Einsatz von Pfeilung, V-Stellung und inverser Skelettlinienberechnung für den dreidimensionalen Rotorentwurf festzulegen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend für den Entwurf eines hochbelasteten Rotors in einem einstufigen Niedergeschwindigkeitsverdichter nach dieser neuen Entwurfsmethodik genutzt. Anhand von Ergebnissen aus Rechnungen und Messungen für diesen Rotor wird die Wirksamkeit des Verfahrens demonstriert. / The recent and future design of axial compressors for aero engines is strongly affected by the aim to generate a high pressure ratio with less stages to increase power and reduce weight to achieve an improved efficiency. This can only be achieved when the stage pressure ratio is raised which leads to increased stage loading. But the higher stage loading results in higher losses caused by stronger secondary flows. This has a negative effect on compressor stability and efficiency. To counteract the negative effects enhanced blade geometries are necessary. With the recently used design methods this is hardly to achieve. For that reason a new method for the three-dimensional design of rotors and stators in axial compressors has been developed. This report summarizes that work. The method accounts for the systematic application of sweep and dihedral as well as the three-dimensional inverse calculation of the camber-line distributions along blade height. To achieve improved efficiency the regions close to the end-walls and the tip and hub gap have to be adapted to the flow environment. The recent report described in detail the theoretical background of the compressor blade flow and compressor blade design. Based on that, two inviscid panel methods for the fully three-dimensional design of compressor blades are described. The panel methods are applied to define a methodology for the effective application of sweep, dihedral and inverse camber-line calculation in a three-dimensional blade design process. Afterwards the findings are used to design a highly-loaded single-stage low-speed research compressor rotor. The validity of the presented design method is proven with CFD and test results.

Ziel dieser Arbeit war, die Auswirkungen von Clocking der Leitreihen eines mehrstufigen Axialverdichters auf Potentiale hinsichtlich der Beeinflussung instationärer und stationärer Effekte zu untersuchen und zum grundlegenden Verständnis der instationären Schaufelinteraktion beizutragen. Dazu wurden über 2000 Leitgitterkonfigurationen vermessen, so dass der Einfluss von Clocking auf den Wirkungsgrad entlang der Kennlinie bei Auslegungsdrehzahl, auf die Schaufelgrenzschichten und auf die Betriebsgrenzen untersucht und dokumentiert werden konnte. Vor allem wurde so eine erhebliche Beeinflussung der Pumpgrenze gefunden, während das Grenzschichtverhalten auf den Schaufeln und der Wirkungsgrad im praktisch relevanten Bereich der Kennlinie kaum verändert wurden. Hauptgegenstand der Untersuchungen war aber der Einfluss von Stator-Clocking auf die instationären Druckverteilungen und die resultierenden instationären Erregerkräfte an den Lauf- und Leitschaufeln. Die Vermessung der Auswirkungen der Positionierung jedes einzelnen Leitgitters wurde genutzt, um durch eine einfache Optimierung zwei geometrische Konfigurationen aller Leitgitter zu entwickeln. Die eine Konfiguration führte zu geringen aerodynamischen Erregerkräften an den Laufschaufeln aller Stufen, während die andere Konfiguration eine gleichmäßig hohe instationäre Anregung zur Folge hatte. Die Unterschiede der instationären Erregerkräfte zwischen den Konfigurationen waren erheblich und über weite Bereiche der Kennlinie unabhängig vom Betriebspunkt, ohne das die Konfiguration der Leitgitter geändert wurde. Für eine umfassende Analyse der periodisch instationären, aerodynamischen Schaufelinteraktion wurden sowohl die Schaufeldruckverteilungen, als auch das Strömungsfeld in den axialen Schaufelzwischenräumen im Mittelschnitt der Beschaufelung für beide Clocking-Konfigurationen zeitgenau vermessen und vergleichend ausgewertet. Aus diesen Analysen konnte mithilfe der Wellenmechanik eine einfache analytische Beschreibung der instationären Interaktion der Potentialfelder der Beschaufelung entwickelt werden. Für eine einzelne Stufe wurde mit diesem Modell die experimentell bestimmte Phasendifferenz der Druckschwankungen auf Druck- und Saugseite auf sehr einfache Weise nachgewiesen. Damit liegt ein einfaches, analytisches Modell für die Beschreibung der komplexen Überlagerung der sich relativ zueinander bewegenden Druckfelder der Beschaufelung axialer Turbomaschinen vor, das für das physikalische Verständnis der instationären Schaufelinteraktion einen wertvollen Beitrag liefert.

Wirkungsgradsteigerungen moderner Turbomaschinen machen dort auch zukünftig verstellbare Leitschaufeln unverzichtbar. Infolge komplexer Ringraumgeometrie entstehen bei der Schaufelverstellung betriebspunktabhängige Radialspalte, welche hinsichtlich Effizienzoptimierungen eine zunehmende Rolle spielen. Die vorliegende Arbeit charakterisiert die aerodynamischen Mechanismen und das Potential von spezifischen radialen Teilspalt- und Seitenwandkonturgeometrien solcher Verstellstatoren. Anders als bei durchgehenden radialen Spalten variiert der Einfluss der Teilspalte abhängig von deren axialer Position. Ein Teilspalt im hinteren Schaufelsehnenbereich erreicht reduzierte Totaldruckverluste gegenüber einer spaltfreien Referenz- beschaufelung. Dieser Vorteil vergrößert sich mit steigender Gitterbelastung und erhöht sich nochmals im Vergleich mit Konfigurationen eines vorderen Teilspaltes. Die Ergebnisse zei- gen, dass die Position entlang der Sehne der wesentliche Ein- flussfaktor auf die Radialspaltcharakteristik ist, die Spaltlänge als auch deren radiale Variation spielen nur eine untergeordnete, quantitative Rolle. Auch die untersuchten modellhaften Seitenwandkonturen wirken sich aufgrund sekundärer geome- trischer Einflüsse positiv auf Verlust und Gitterumlenkung in der Abströmung aus. Reduzierte Abmessungen der Teilspalte schwächen auch charakteristische Periodizitäten in Verbindung mit Spaltströmung bzw. resultierendem Spaltwirbel ab. Diese Erkenntnisse erlauben aerodynamische Optimierungen der Geometrie eines spezifischen Statordesigns. Ebenso ergibt sich ein Anwendungspotential im Randbereich starrer Leitschaufeln.

Ziel dieser Arbeit war, die Auswirkungen von Clocking der Leitreihen eines mehrstufigen Axialverdichters auf Potentiale hinsichtlich der Beeinflussung instationärer und stationärer Effekte zu untersuchen und zum grundlegenden Verständnis der instationären Schaufelinteraktion beizutragen. Dazu wurden über 2000 Leitgitterkonfigurationen vermessen, so dass der Einfluss von Clocking auf den Wirkungsgrad entlang der Kennlinie bei Auslegungsdrehzahl, auf die Schaufelgrenzschichten und auf die Betriebsgrenzen untersucht und dokumentiert werden konnte. Vor allem wurde so eine erhebliche Beeinflussung der Pumpgrenze gefunden, während das Grenzschichtverhalten auf den Schaufeln und der Wirkungsgrad im praktisch relevanten Bereich der Kennlinie kaum verändert wurden. Hauptgegenstand der Untersuchungen war aber der Einfluss von Stator-Clocking auf die instationären Druckverteilungen und die resultierenden instationären Erregerkräfte an den Lauf- und Leitschaufeln. Die Vermessung der Auswirkungen der Positionierung jedes einzelnen Leitgitters wurde genutzt, um durch eine einfache Optimierung zwei geometrische Konfigurationen aller Leitgitter zu entwickeln. Die eine Konfiguration führte zu geringen aerodynamischen Erregerkräften an den Laufschaufeln aller Stufen, während die andere Konfiguration eine gleichmäßig hohe instationäre Anregung zur Folge hatte. Die Unterschiede der instationären Erregerkräfte zwischen den Konfigurationen waren erheblich und über weite Bereiche der Kennlinie unabhängig vom Betriebspunkt, ohne das die Konfiguration der Leitgitter geändert wurde. Für eine umfassende Analyse der periodisch instationären, aerodynamischen Schaufelinteraktion wurden sowohl die Schaufeldruckverteilungen, als auch das Strömungsfeld in den axialen Schaufelzwischenräumen im Mittelschnitt der Beschaufelung für beide Clocking-Konfigurationen zeitgenau vermessen und vergleichend ausgewertet. Aus diesen Analysen konnte mithilfe der Wellenmechanik eine einfache analytische Beschreibung der instationären Interaktion der Potentialfelder der Beschaufelung entwickelt werden. Für eine einzelne Stufe wurde mit diesem Modell die experimentell bestimmte Phasendifferenz der Druckschwankungen auf Druck- und Saugseite auf sehr einfache Weise nachgewiesen. Damit liegt ein einfaches, analytisches Modell für die Beschreibung der komplexen Überlagerung der sich relativ zueinander bewegenden Druckfelder der Beschaufelung axialer Turbomaschinen vor, das für das physikalische Verständnis der instationären Schaufelinteraktion einen wertvollen Beitrag liefert.

Die heutige und zukünftige Entwicklung beim Entwurf von Axialverdichtern für die Anwendung in Flugzeugtriebwerken ist immer stärker davon geprägt, ein möglichst großes Druckverhältnis mit möglichst wenigen Stufen zu erzeugen. Ziel ist es, möglichst viel Leistung mit möglichst geringem Gewicht umzusetzen, um die Effizienz der Maschine weiter zu verbessern. Um dies zu erreichen, muss eine Erhöhung der Stufendruckverhältnisse und damit eine Erhöhung der Stufenbelastung in Kauf genommen werden. Die höhere Belastung hat jedoch einen Anstieg der Verluste aufgrund der stärker werdenden Sekundärströmungen zur Folge, und wirkt sich zunächst negativ auf die Stabilität und den Wirkungsgrad der Maschine aus. Diese negativen Effekte können nur durch eine Weiterentwicklung der Schaufelgeometrie kompensiert werden. Hierbei stoßen die derzeit benutzten Entwurfsmethoden jedoch an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurde ein neues Verfahren für den dreidimensionalen Entwurf von Rotoren in Axialverdichtern entwickelt. In dieser Arbeit wird dessen Entwicklung präsentiert. Das Verfahren umfasst die systematische Anwendung von Pfeilung und V-Stellung, sowie die dreidimensionale inverse Berechnung der radialen Skelettlinienverteilung. Um damit eine Verbesserung des Rotorwirkungsgrades zu erreichen, müssen vor allem die kritischen wand- bzw. spaltnahen Bereiche optimal an die Strömungsumgebung angepasst werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt ausführlich die theoretischen Grundlagen der Rotorströmung und des Rotorentwurfs. Basierend darauf werden für die Umsetzung eines vollständigen dreidimensionalen Schaufelentwurfs zwei Panelverfahren zur Berechnung der dreidimensionalen jedoch reibungslosen Strömung, zur Lösung der Nachrechen- bzw. der Entwurfsaufgabe, entwickelt. Die Panelverfahren werden angewandt, um eine Methodik für den effektiven Einsatz von Pfeilung, V-Stellung und inverser Skelettlinienberechnung für den dreidimensionalen Rotorentwurf festzulegen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend für den Entwurf eines hochbelasteten Rotors in einem einstufigen Niedergeschwindigkeitsverdichter nach dieser neuen Entwurfsmethodik genutzt. Anhand von Ergebnissen aus Rechnungen und Messungen für diesen Rotor wird die Wirksamkeit des Verfahrens demonstriert. / The recent and future design of axial compressors for aero engines is strongly affected by the aim to generate a high pressure ratio with less stages to increase power and reduce weight to achieve an improved efficiency. This can only be achieved when the stage pressure ratio is raised which leads to increased stage loading. But the higher stage loading results in higher losses caused by stronger secondary flows. This has a negative effect on compressor stability and efficiency. To counteract the negative effects enhanced blade geometries are necessary. With the recently used design methods this is hardly to achieve. For that reason a new method for the three-dimensional design of rotors and stators in axial compressors has been developed. This report summarizes that work. The method accounts for the systematic application of sweep and dihedral as well as the three-dimensional inverse calculation of the camber-line distributions along blade height. To achieve improved efficiency the regions close to the end-walls and the tip and hub gap have to be adapted to the flow environment. The recent report described in detail the theoretical background of the compressor blade flow and compressor blade design. Based on that, two inviscid panel methods for the fully three-dimensional design of compressor blades are described. The panel methods are applied to define a methodology for the effective application of sweep, dihedral and inverse camber-line calculation in a three-dimensional blade design process. Afterwards the findings are used to design a highly-loaded single-stage low-speed research compressor rotor. The validity of the presented design method is proven with CFD and test results.

In mehrstufigen Axialverdichtern für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen werden die Statoren entweder mit Deckband ausgeführt oder freistehend mit einem Radialspalt zur Rotornabe. Diese zwei üblichen konstruktiven Varianten zur Trennung von rotierenden und stehenden Bauteilen haben erheblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten und die Verluste im nabennahen Bereich der Statorpassage. In den hinteren Stufen von mehrstufigen Axialverdichtern kommt dieser Problematik eine große Bedeutung bei, da mit sinkender Kanalhöhe der Anteil der Randverluste am Gesamtverlust steigt. Weiterhin ist mit relativ großen Spaltweiten im Verhältnis zur Kanalhöhe zu rechnen. Die vorliegende Arbeit vergleicht die Strömung an Statoren mit und ohne Deckband auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen in einem vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter. Für beide Bauarten werden die Auswirkungen einer Variation der Spaltweite auf das Strömungsfeld mit stationären Drucksonden ermittelt und mit stationären CFD-Simulationen verglichen. Für Statoren mit Radialspalt zur Nabe wird eine verbesserte dreidimensionale Gestaltung vorgestellt und experimentell untersucht. Ziel der neuen Auslegung ist die Verringerung der Auswirkung der Spaltweitenvergrößerung auf Verluste, Minderumlenkung und Blockage. Die experimentelle Verifizierung der Neuauslegung wird von numerischen Simulationen zur detaillierten Analyse der Verbesserungen unterstützt.:Symbolverzeichnis Einleitung 1 Grundlagen der Strömung im Seitenwandbereich von Statoren / Stand des Wissens 1.1 Sekundärströmung an Statoren 1.2 Historische Entwicklung der Untersuchung von Statoren mit und ohne Deckband in Axialverdichtern 1.3 Reduzierung von Verlusten durch dreidimensionales Schaufeldesign 1.4 Zielstellung der aktuellen Untersuchung 2 Niedergeschwindigkeitsverdichter und Messtechnik 2.1 Allgemeiner Aufbau des Niedergeschwindigkeitsverdichters 2.2 Messtechnik am Niedergeschwindigkeitsverdichter 2.3 Auswertungsmethoden und Analyse der Messergebnisse 2.3.1 Normierung der Messwerte 2.3.2 Kennfeld 2.3.3 Strömungsfeldmessung an der Stufe 2.3.4 Druckverteilungen 2.3.5 Betrachtung der Messgenauigkeit 2.4 Experimentell untersuchteAufbauten 2.4.1 Referenz-Statoren ohne Deckband - Aufbau 16 2.4.2 Referenz-Statoren mit Deckband - Aufbau 17 2.4.3 Neuauslegung für Statoren mit großen Radialspalten - Aufbau 20 3 Numerische Untersuchungen 3.1 Numerisches Modell 3.2 Simulationsmodell 3.2.1 Vernetzung des Verdichters für den Referenzfall 3.2.2 Modellierung unterschiedlicher Radialspaltweiten 3.2.3 Modellierung der Deckbandkavität 3.2.4 Einfluss der Turbulenzmodellierung auf die Strömung an Statoren mit und ohne Deckband 3.2.5 Simulationen mit Non-Linear-Harmonic-Method 4 Statoren mit und ohne Deckband 4.1 Globales Betriebsverhalten des Verdichters für Referenzmessungen an Statoren mit und ohne Deckband 4.1.1 Drehzahllinie des Verdichters bei Radialspaltvariation über Stator 3 und 4 4.1.2 Drehzahllinie des Verdichters bei Deckbandspaltvariation im Stator 3 4.1.3 Globale Ergebnisse der CFD-Simulation für Statoren mit und ohne Deckband 4.2 Strömungsfeldmessungen für Statoren mit und ohne Deckband 4.2.1 Zuströmung zum dritten Stator 4.2.2 Vergleich der Strömung am dritten Stator mit und ohne Deckband 4.2.3 Auswirkung des Designs des dritten Stators auf Rotor 4 4.3 Bewertung der Ergebnisse für Statoren mit und ohne Deckband 5 Statoren ohne Deckband mit verringerter Sensitivität gegenüber großen Radialspaltweiten 5.1 Auslegung eines Stators ohne Deckband für große Radialspaltweiten 5.2 Globales Betriebsverhalten des Verdichters für neuausgelegte Statoren ohne Deckband 5.3 Strömungsfeldmessungen am neuausgelegten Stator mit großem Radialspalt 5.3.1 Zuströmung zum dritten Stator 5.3.2 Strömung am dritten Stator bei Radialspaltvariation 5.3.3 Auswirkung der Radialspaltvariation am dritten Stator auf Rotor 4 5.4 Bewertung der neuen Auslegung für Statoren mit großem Radialspalt 6 Zusammenfassung A Anhang A.1 Eigenschaften des CFD-Netzes A.2 CFD-Netze f¨ur Stator 3 mit Deckband A.3 Einfluss des Fillets am dritten Stator mit Deckband Literaturverzeichnis