Aerodynamische Analyse eines numerisch optimierten transsonischen Radialverdichters mit Freiformflächenbeschaufelung

Auf Basis eines Radialverdichterlaufrads mit Regelgeradenbeschaufelung wurde im Rahmen dieser Arbeit eine numerische Optimierung durchgeführt und ein sogenanntes Freiformflächenlaufrad erzeugt. Die aerodynamischen Zielsetzungen der Optimierung waren die Erhöhung des total-zu-statischen Wirkungsgrades und die Minderung des stoßbedingten tonalen Lärms im Verdichtereintritt. Das wissenschaftliche Ziel war die potenziellen Vorteile von Freiformflächen- gegenüber Regelflächenbeschaufelungen aufzudecken. In der vorliegenden Abhandlung werden daher die Radialverdichterstufen geometrisch und anhand der Ergebnisse von stationären numerischen Strömungssimulationen aerodynamisch analysiert.

Die Untersuchung der Inducerströmung zeigt, dass eine in Gehäusenähe vorwärts gepfeilte Vorderkante den Verdichtungsstoß in Relation zu dieser stromab verschiebt. Stromauf der Vorderkante wird dadurch der maximale Druck nach dem Verdichtungsstoß reduziert. Weiterhin wird durch die in Schaufelspitzennähe konkav gestaltete Saugseite des optimierten Laufrads eine geringere Machzahl vor dem Passagenstoß erzielt. Die beiden Effekte bewirken die gewünschte Stoßabschwächung.

Im Auslegungspunkt liegt der am Austritt des schaufellosen Diffusors bilanzierte total-zu-statische Wirkungsgrad des optimierten Verdichters 1,34 %-Punkte über dem des Basisverdichters. In den Analysen wird offengelegt, dass das Strömungsfeld am Austritt des optimierten Laufrads in Kanalhöhenrichtung hinsichtlich der Strömungsrichtung homogener ist als das des Basislaufrads. Das beim Basisverdichter stark ausgeprägte Gefälle des Strömungswinkels von Nabe zum Gehäuse bleibt entlang der gesamten Länge des schaufellosen Diffusors bestehen. Somit wirken dort größere Scherkräfte wodurch die deutlich höheren Totaldruckverluste im Diffusor des Basisverdichters begründbar sind. Durch die Gegenüberstellung des Schaufelwinkelverlaufs mit der aerodynamischen Schaufelbelastung und die Untersuchung des Einflusses des Neigungswinkels auf das Kräftegleichgewicht in Schaufelhöhenrichtung wird gezeigt, dass der Einsatz von Freiformflächen statt Regelflächenbeschaufelungen aus aerodynamischer Sicht vorteilhaft sein kann. So bieten sie vielseitigere Möglichkeiten, die Schaufel auf den verschiedenen Spans gezielter aerodynamisch zu be- und entlasten. In Verbindung mit dem variableren Neigungswinkelverlauf können der Druckgradient in Schaufelhöhenrichtung besser kontrolliert und Sekundärströmungen positiv beeinflusst werden.