Experimentelle Untersuchung von Sekundarströmungsphänomenen in stark verkürzten Verdichterübergangskanälen

Abstract

Die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs von Flugzeugen ist eines der wichtigsten Forschungsthemen der Luftfahrtindustrie. Ein ielversprechender Ansatz ist die Verkürzung der Kanallänge zwischen dem Niederdruckverdichter (NDV) und dem Hochdruckverdichter (HDV), dem so genannten Verdichterübergangskanal, englisch: Intermediate-Compressor-Duct (ICD). Die Treibstoffersparnis resultiert aus der Gewichtsersparnis des kurzen Triebwerks, der einhergehenden leichteren Tragekonstruktion in der Triebwerksaufhängung, der verbesserten Schwerpunktslage und dem verringerten Luftwiderstand. Eine Arbeitsgruppe des DLR-Instituts für Antriebstechnik, der MTU Aero Engines AG und der GKN Aerospace hat im Rahmen von Clean Sky 2 eine Messreihe aufgebaut, um einen kürzeren und damit aerodynamisch aggressiveren s-förmigen ICD zu untersuchen. Das Versuchsrig bietet die Möglichkeit der variablen Dallerzeugung um die letzte Rotorstufe des NDV zu simulieren, die NDV Auslassleitschaufeln führen die Strömung zu den Streben, die das Wellen- Lagersystem tragen. Eine verstellbare Eintrittsleitschaufelreihe hinter dem ICD simuliert die Eintrittsbedingungen für einen HDV. Hinter den Auslassleitschaufeln befindet sich eine Luftabsaugevorrichtung am Außengehäuse zur Simulation des Zapfluftstroms der ebenfalls variiert werden kann. Folgende Untersuchungen können im Rig durchgeführt werden: Totaldruck-, Mehrloch- und Hitzdrahtsonden sowie das Laser2Fokus- Verfahren und Ölanstrichbilder. Es stehen sieben verschiedene Messebenen zur Verfügung. In drei Messebenen können sowohl Umfangs- als auch Radialtraversen eingesetzt werden. Die Tests werden an acht verschiedenen Betriebspunkten durchgeführt, die sich in Machzahl, Reynoldszahl, Zapfluftrate, Drallwinkel und Winkel des HDV IGV unterscheiden. In dieser Arbeit werden zwei Aufbauten mit jeweils 25% und 50% axialer Längenverkürzung untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass beim ersten Aufbau trotz der reduzierten axialen Länge, die Strömung dem Kanal durch die aggressive sForm ohne Ablösung folgt und keine Performanceverluste entstehen. Im zweiten Versuchsaufbau wird das Design so gewählt, dass es die Funktionsgrenze gemäß der heutigen CFD-Vorhersagemöglichkeiten überschreitet. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass dieser Aufbau an den vorhergesagten Stellen kurz vor der Ablösung steht. Diese Dissertation geht im Speziellen auf die tiefgehende Analyse des Strömungsverhalten innerhalb des stark verkürzten Verdichterübergangkanals und der damit einhergehenden Sekundärströmung ein.