Einfluss des Schaufelhöhenseitenverhältnisses auf den Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten einer Axialverdichterstufe

In dieser Arbeit wird der Einfluss einer Änderung des Höhenseitenverhältnisses einer Axialverdichterbeschaufelung auf Gitterverluste und Pumpgrenze mithilfe numerischer Methoden untersucht, die durch Versuche an einem Axialverdichterprüfstand validiert wurden. Erstmalig wird dabei ein Verfahren für die Abschätzung der Änderung der Sekundärverluste vorgestellt, das die Grenzschichtdicke am Gittereintritt mitberücksichtigt und somit nicht auf die Repetierstufen-Annahme angewiesen ist. Die Änderung der Pumpgrenze kann für tip-kritische Verdichter durch die relative Änderung des Radialspaltes erklärt und mithilfe der Theorie von Khalid und Khalsa quantifiziert werden. Alle Untersuchungen zum Verdichterwirkungsgrad werden zunächst anhand einer Einzelgitter-Kaskade untersucht. Dabei können die Änderung der Reynoldszahl, das geringere Anwachsen der Seitenwandgrenzschicht und die veränderte relative Dicke der Zuströmgrenzschicht als wesentliche Einflussgrößen auf die Gitterverluste identifiziert werden. Auf Basis dieser Kaskaden-Simulationen wurde das o.g Verfahren zur Abschätzung der Sekundärverluste entwickelt. Anschließend wurde eine reale Hochdruckverdichterstufe numerisch simuliert. Die in der Kaskade identifizierten Einzeleffekte können dort ebenfalls identifiziert werden. Die Anwendung des neu entwickelten Verfahrens zur Abschätzung der Sekundärverluste zeigt eine deutlich bessere Übereinstimmung mit den CFD-Ergebnissen, als eine Abschätzung auf Basis einer Repetierstufen-Annahme. Die Untersuchungen zum Betriebsbereich des Verdichters wurden anhand einer realen Rotorgeometrie mit Vorleitrad durchgeführt. Es kann ein linearer Zusammenhang zwischen dem Verlust an Pumpgrenze und der Änderung des Höhenseitenverhältnisses festgestellt werden. Die Simulation der gesamten Verdichterstufe bestätigt die Ergebnisse, da der zusätzliche Stator einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Pumpgrenzänderung zeigt. Ein Vergleich zwischen 3D CFD-Simulationen und Prüfstandsversuchen zeigt, dass die Vorhersage von Änderungen des Wirkungsgrades und der Pumpgrenze für die vorliegende Geometrie durch das verwendete voll turbulente, stationäre CFD-Setup mit k-w-Modell und Low-Reynolds-Ansatz gut vorhergesagt werden kann. Mithilfe dieser Erkenntnisse kann eine genauere Abschätzung der Änderung der Gitterverluste vorgenommen werden. Zudem ist eine einfachere und schnellere Bestimmung des Verlusts an Pumpgrenze für einen Verdichter mit vergrößertem Höhenseitenverhältnis möglich.