Instationäre Rotor-Stator Interaktion in einem Radialverdichter mit einem enggekoppelten Pipe-Diffusor

Die vorliegende Arbeit ist die numerische Untersuchung einer transsonischen Radialverdichterstufe aus einer Triebwerksanwendung. Das Diffusionssystem der Basiskonfiguration besteht aus einem langen Pipe-Diffusor und einem axialen Nachleitapparat. Der Druckrückgewinn wird durch den Diffusor dominiert, jedoch sind ca. 30% der Druckverluste dem Nachleitapparat zuzuschreiben. Im Eintritt des Diffusors erfolgt eine komplexe Mischung der Strömung durch dreidimensionale Sekundärströmungen. Diese werden durch zwei gegensinnig rotierende Längswirbel dominiert, die in erster Linie eine Folge der Laufradabströmung sind und durch die Vorderkanten des Pipe-Diffusors verstärkt werden. Aufgrund der sehr engen Kopplung interagieren die Laufradnachläufe mit den Vorderkanten des Pipe-Diffusors und somit variieren auch die Sekundärströmungen, was für die Leistungseigenschaften relevant ist.

In dem ersten Teil der Arbeit erfolgt eine Validierung der zeitgemittelten Strömungssimulationen mit experimentellen Daten. Anschließend wird die instationäre Aerodynamik zwischen dem Laufrad und dem Pipe-Diffusor im Detail analysiert und es erfolgt ein Vergleich zwischen dem Zeitmittel einer instationären Simulation und einer stationären Simulation mit Mischungsebene. Dieser macht deutlich, dass die instationären Interaktion für eine realitätsnahe Nachrechnung von Bedeutung ist.

In dem zweiten Teil der Arbeit wird ein neuartiges kompaktes Diffusionssystem erstmalig numerisch untersucht und mit der Basisstufe verglichen. Der Nachleitapparat ist als zweireihiges Tandem-Gitter ausgeführt und dessen erste Reihe ist in den Austritt des verkürzten Pipe-Diffusors eingetaucht. Auf diese Weise kann der Bauraum in radialer Richtung stark reduziert werden. Der Vergleich des kompakteren Diffusionssystems mit der Basiskonfiguration führt zu einem besseren Verständnis der komplexen dreidimensionalen Strömungsvorgänge in dem Diffusor und dem Nachleitapparat.