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Aerodynamische Störungen als Vorstufe einer Verdichterinstabilität in Axialverdichtern
Zitatschlüssel eck_diss_2020
Autor Mario Eck
Jahr 2020
DOI 10.14279/depositonce-10567
Ort Berlin
Monat September
Herausgeber DepositOnce - Institutional Repository for Research Data and Publications of TU Berlin
Wie herausgegeben Creative Commons Attribution 4.0 International CC BY 4.0
Schule Technische Universität Berlin
Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Analyse von aerodynamischen Instabilitäten in Axialverdichtern. Eine besonders effektive Maßnahme zur Steigerung der Triebwerkseffizienz sowie zur Minderung von Lärmemissionen ist die Vergrößerung des Nebenstromverhältnisses. Bei modernen Flugzeugtriebwerken spiegelt sich diese Maßnahme sehr deutlich durch wachsende Fandurchmesser und kompaktere Kerntriebwerke wider. Baubedingt wachsen dadurch unvermeidlich die relativen Spalte zwischen den Schaufelspitzen der Verdichterschaufeln und der angrenzenden Seitenwand. Aus diesem Grund ist anzunehmen, dass ein besonders komplexes, instationäres Strömungsphänomen, die Rotierende Instabilität (RI), eine größere Rolle bei der Entwicklung zukünftiger Axialverdichter spielen wird. Es ist inzwischen allgemein bekannt, dass die RI eine Vorstufe einer Verdichterinstabilität darstellt. Bezugnehmend auf diese Erkenntnis soll die vorliegende Arbeit das Potential der RI zur präzisen Früherkennung von Verdichterinstabilitäten verdeutlichen, indem die sich während des Drosselprozesses verändernden Merkmale der RI systematisch und zielführend ausgewertet werden. In diesem Zuge leistet diese Arbeit einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung des Verständnisses über die strömungsphysikalischen Eigenschaften der RI. Die experimentellen Versuche wurden an zwei komplementären Verdichterprüfständen durchgeführt. Mittels wandbündig installierter Druckmesstechniken wurde das Strömungsfeld im Nabenspalt eines Verdichterstators sowie im Gehäusespalt eines Verdichterrotors untersucht. Zeitlich und räumlich hoch aufgelöste, ebene Druckund Geschwindigkeitsfelder erlauben eine detaillierte Analyse des Ausbreitungsortes von kohärenten Strukturen, welche zweifelsfrei der RI zugeschrieben werden konnten. Im Zuge der Untersuchungen konnte eine Vorderkantenablösung als Ursache für jene Strukturen ausgeschlossen werden. Vielmehr bilden sich in der Scherschicht zwischen der Haupt- und der Spaltströmung diskrete Störungen aus, welche sich in Umfangsrichtung fortbewegen. Die Anzahl dieser über den Umfang verteilten Störungen, welche einer Umfangsmode der RI entspricht, ändert sich stochastisch. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass die Umfangsmoden unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten aufweisen, wobei diejenige Mode mit den größten Druckamplituden am häufigsten auftritt. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit erstmalig Ergebnisse über die Ausbildung der RI in exzentrischen Rotoren.
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