Rotierende Ablösung und Pumpen als gekoppelte Instabilitätsform in Axialverdichtern

Zusammenfassung

Instabile Strömungsvorgänge in Axialverdichtern werden entsprechend ihrer periodischen Erscheinungsform in die rotierende Ablösung und das Pumpen klassifiziert. Sie verursachen kritische Betriebszustände mit extrem hohen dynamischen Belastungen aller Baugruppen. Dies gilt insbesondere für Flugtriebwerksverdichter, deren stabiler Betrieb durch häufige Lastwechsel und zusätzlich auftretende Einlaufstörung stark gefährdet ist. Gegenmaßnahmen werden um so erfolgreicher sein, je besser die strömungsmechanischen Vorgänge sowohl in der Entstehungsphase als auch während des instabilen Verdichterbetriebes verstanden werden. Experimentelle Untersuchungen sind in vielen Fällen aufgrund des Risikos großer Materialschäden nicht durchführbar, so daß theoretische Verfahren zunehmende Bedeutung erlangen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Rechenmodell vorgestellt, mit dessen Hilfe die instationären strömungsmechanischen Vorgänge simuliert werden können und das Aussagen über den Zusammenhang zwischen einigen Systemparametern und den instabilen Strömungsphänomenen ermöglicht. Im Vordergrund steht hierbei die Darstellung der rotierenden Ablösung und des Pumpvorgangs als eine gekoppelte Instabilitätsform. Ein einfaches Modell einer Verdichteranlage wird ausgewählt, bestehend aus dem Einlauf, einem einzelnen Laufrad, dem Druckstutzen und einem Speicher mit Drosselvorrichtung, um diese Kopplung mit einem numerischen Lösungsverfahren nachzuweisen. Es stellt die Strömung als einen zweidimensionalen, instationären, kompressiblen Vorgang dar, wobei die Verlust- und Umlenkkorrelationen des Laufrades sowie die Übertragungsgleichungen des Speichers in den entsprechenden Randkoordinaten berücksichtigt werden. Umfangsabhängige Totaldruckstörungen werden in Form eines Störgitterbeiwertes der Strömung im Ansaugstutzen überlagert. Die Entwicklung des periodisch instationären Strömungsfeldes in Abhängigkeit vom Speichervolumen und der Drosselstellung wird in ausgewählten Simulationsbeispielen diskutiert. Zur vollständigen Auswertung der Stabilitätsuntersuchung wird die Pumpfrequenz, die Frequenz umlaufender Strömungsinstabilitäten und die Anzahl der Ablösezellen herangezogen.