Numerische Vorhersage der aerodynamischen Dämpfung während des Verdichterpumpens

Kurzfassung

Um den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen zu reduzieren, sollen die Triebwerke leichter und effizienter werden. Diese Zielsetzung führt einerseits zu dünneren und flexibleren Verdichterschaufeln, die anfälliger für das Auftreten aeroelastischer Phänomene sind. Andererseits wird der Verdichter näher an der Stabilitätsgrenze betrieben, was das Risiko instabiler Betriebszustände erhöht. Ein besonders kritischer instabiler Betriebszustand ist das Verdichterpumpen.

Beim Verdichterpumpen wiederholen sich die vier Pumpphasen: Druckaufbau, Strömungszusammenbruch, Rückströmung und Regeneration. Während dieser Pump-phasen treten untypische Strömungszustände auf, die bei früheren Verdichtern bereits zum Flattern und in der Folge zur Beschädigung der Schaufeln geführt haben. Dabei ist die aerodynamische Dämpfung der entscheidende Parameter für die Flatterstabilität.

Die numerische Vorhersage der aerodynamischen Dämpfung beim Verdichterpumpen ist im Vergleich zu stabilen Betriebsbedingungen mit zusätzlichen Herausforderungen verbunden. Die wichtigsten Aspekte dabei sind: - Vorhersage des Pumpvorgangs - Instationäre Grundströmung - Einfluss der Pumpphase - Einfluss von Turbulenz und Nichtlinearitäten

Bereits bekannte numerische Methoden berücksichtigen diese Aspekte nicht oder nur teilweise. Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Einfluss dieser Aspekte zu analysieren, das physikalische Verständnis zu vertiefen und geeignete Methoden zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde eine neue Methode entwickelt, die alle Aspekte berücksichtigt und als Referenzmethode dient.

Die Ergebnisse zeigen, dass bei der untersuchten Konfiguration, während des Strömungszusammenbruchs und der Regeneration, negative aerodynamische Dämpfung auftritt. Dabei war die Berücksichtigung der zusätzlichen Aspekte entscheidend für eine verlässliche Vorhersage. Die Vorhersagen mit den bereits bekannten Methoden wiesen, abhängig von der Pumpphase, teilweise starke Abweichungen zur Referenzmethode auf.