Untersuchung der dreidimensionalen Strömung eines hochumlenkenden Tandem-Verdichtergitters

Die vorliegende Arbeit liefert einen Einblick in die Strömungsvorgänge an einem hochumlenkenden Tandem-Verdichtergitter und dessen grenzschichtstabilisierende Wirkungsweisen.
Für eine subsonische Anströmung von Ma1 = 0,13 wird ein Tandem-Verdichtergitter ausgelegt, dass im Design-Zuströmwinkel bei einer aerodynamischen Gesamtbelastung von D = 0,64 eine Umlenkaufgabe von Δβ = 50° auf eine axiale Abströmung leistet. Die Profilgeometrien besitzen jeweils eine aerodynamische Belastung von D1 = D2 ≈ 0,54 und werden getrennt voneinander optimiert. Das untersuchte Tandem-Verdichtergitter ergibt sich durch die anschließende geometrische Anordnung der beiden Profile gemäß den Ergebnissen entsprechender Forschungsveröffentlichungen.
Die experimentellen Untersuchungen umfassen Zu- und Nachlaufmessungen, Druckverteilungsmessungen und Ölanstrichbilder. Die numerischen Untersuchungen werden sowohl für das Tandem-Verdichtergitter als auch für die erste Tandemschaufel als Einzelgitter im dreidimensionalen Rechenraum durchgeführt. Die gut übereinstimmenden experimentellen und numerischen Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in die Strömungsvorgänge der quasi-zweidimensionalen Kernströmung und der dreidimensionalen Sekundärströmung unterteilt.
Die grenzschichtstabilisierende Wirkungsweise des untersuchten Tandem-Verdichtergitters kennzeichnet sich in der quasi-zweidimensionalen Kernströmung an der ersten Tandemschaufel durch eine Stromabverschiebung des Grenzschichtumschlags und eine Reduzierung der saug- und druckseitigen Hinterkantenimpulsverlustdicke, wodurch die Profilverluste sinken. Die Vorkonditionierung der Strömung bewirkt an der zweiten Tandemschaufel einen vom Zuströmwinkel weitestgehend unabhängigen Grenzschichtverlauf mit einer konstanten Hinterkantenimpulsverlustdicke. Die positiv beeinflussten Strömungsvorgänge spiegeln sich in einem weiten Arbeitsbereich zwischen 38° ≤ β1 ≤ 62° und einem minimalen Verlustbeiwert von ζV ≈ 3,3% wider.
Die dreidimensionale Sekundärströmung am untersuchten Tandem-Verdichtergitter wird durch die klassischen Phänomene der Ablösung des zuströmenden Seitenwandgrenzschichtmaterials, der Querkanalströmung und der Hinterkantenumströmung gekennzeichnet. Die an der zweiten Tandemschaufel auftretenden Sekundärströmungsphänomene verursachen einen geringen Anteil der Gesamt-Sekundärströmungsverluste, die durch die verlustverursachenden Strömungsvorgänge an der ersten Tandemschaufel dominiert werden. Während die Ausprägungen und die Auswirkungen der Sekundärströmungsphänomene in der Nähe der saugseitigen Kontur der ersten Tandemschaufel durch den Einfluss der zweiten Tandemschaufel reduziert werden, werden in der Nähe der druckseitigen Kontur der ersten Tandemschaufel die Sekundärströmungsvorgänge verstärkt und zusätzliche Sekundärströmungsvorgänge verursacht. Mit steigender aerodynamischer Belastung nimmt die positive Beeinflussung der Sekundärströmungsvorgänge in der Nähe der saugseitigen Kontur der ersten Tandemschaufel zu und die negative Beeinflussung der Sekundärströmungsvorgänge in der Nähe der druckseitigen Kontur der ersten Tandemschaufel ab.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich die Beeinflussung der Strömungsvorgänge am untersuchten Tandem-Verdichtergitter insbesondere bei großen aerodynamischen Belastungen verlustreduzierend auswirkt. Eine Übertragung des Tandemschaufel-Konzeptes in den Verdichter eines Flugtriebwerkes hat großes Potential, den Wirkungsgrad nicht nur durch die mögliche größere aerodynamische Stufenbelastung zu steigern, sondern vor allem durch die Reduzierung der verlustverursachenden Sekundärströmungsvorgänge bei großer aerodynamischer Belastung.