Numerische Einblasestudien zur Kennfelderweiterung an einem Triebwerksfan mit extrem großem Nebenstromverhältnis

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit umfasst die numerischen Untersuchungen an dem UHBR-Fan des DLR. Zu Beginn der Arbeit wurden in einer ausführlichen Literaturrecherche die bereits untersuchten Einblasekonfigurationen kategorisiert. Entsprechend der dort präsentierten Ergebnisse schien eine Düse in Gehäusenähe, mit rechteckiger Eintrittsfläche und flachem Eintrittswinkel in den Strömungskanal nahe der Rotorvorderkante am erfolgversprechendsten. Eine schmale Breite der Düsenaustrittsfläche führt dazu, dass die Anströmbedingungen am Rotor zeitlich unterschiedlich sind, so dass die Strömung instationär berechnet werden muss, deswegen wurde versucht eine Düse zu realisieren, die um den gesamten Umfang umläuft, weil somit eine stationäre Berechnung möglich ist. Daraufhin wurden die Parameter Netzauflösung, Randbedingung und Zeitschrittweite pro Periode in Bezug auf die Düse untersucht. Anschließend wurde das aerodynamische Verhalten des UHBR-Rotors im Bereich der Pumpgrenze analysiert. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Ablösungen nicht im Bereich des Gehäuses auftreten, sondern aufgrund des S-Schlags, im Bereich von 65 bis 85% der Schaufelhöhe. Es bildet sich eine große Ablöseblase ab der Vorderkante aus, die fast bis zur Schaufelhinterkante reicht. Es bildet sich von dort ein starker Wirbel, der hinter dem Rotor zu einer großen radialen Verblockung führt. Im Bereich von 30 bis 50% der Schaufelhöhe bildet sich eine Ablöseblase. Daraus wurde ersichtlich, dass eine Düsenkonfiguration notwendig ist, die in diesen hochbelasteten Bereich der Schaufel vordringt. Es wurde ein senkrechte, eine schräge und eine axiale Einblasung untersucht. Die senkrechte Einblasung wurde sofort im Strömungskanal umgelenkt und erzeugte ein größes Rückströmgebiet in Gehäusenähe. Diese Düsenkonfiguration hatte einen negativen Effekt auf den Fan. Mittels der schrägen Einblasung konnte eine erhöhte Axialgeschwindigkeit im gehäusenahen Bereich realisiert werden. Dies führte zu einer geringfügigen Verbesserung des Wirkungsgrades, aber zu nahezu keiner Erweiterung des Pumpgrenzabstands. Die axiale Einblasung konnte mit einer Düse im Eintrittsblock realisiert werden. Hierbei wurde eine zusätzliche Düse im Eintritt definiert. Der Pumpgrenzabstand konnte so um 28% erweitert werden. Die Effektivität der Einblasung war jedoch relativ schlecht, weil ein Düsenmassenstrom von 3,8% des Hauptmassenstroms benötigt wurde, um die erwähnte Erweiterung zu realisieren. Abschließend wurden die aerodynamischen Effekte analysiert, die zu der Pump-grenzerweiterung geführt haben. Der starke Hauptwirbel wurde durch die Einblasung in einen oberen und unteren Teil geteilt und somit stark geschwächt. Darauf aufbauend wurden zwei Konzepte vorgestellt, die bei dem UHBR-Rig verwendet werden könnten, um die gewonnenen Erkenntnisse experimentell nachzuprüfen.