Sekundärströmung und Verluste aufgrund von Penny-Kavitäten in Verstellleitschaufeln

In dieser Arbeit wird die Strömung in Verstellleitschaufeln mit Penny-Kavitäten numerisch mit skalenauflösenden und RANS-Simulationen untersucht. Der Zusammenhang zwischen der Profilumströmung, der Kavitätenströmung und der daraus folgenden Sekundärströmung in der Passage sowie den daraus resultierenden Strömungsverlusten wird hergestellt. Verstellleitschaufeln werden in mehrstufigen Verdichtern eingesetzt um Ablösungen in Teillastbetriebspunkten zu verhindern und gleichzeitig den Pumpgrenzabstand zu erhöhen. Aufgrund der Lagerung der Schaufeln sind kleine Spalte unvermeidbar, die Penny-Kavitäten genannt werden. In dieser Arbeit wird die Strömung in und durch Penny-Kavitäten mit skalenauflösenden Simulationen detailliert an einem Stator analysiert. Das Ziel ist die Beschreibung der Ursache-Wirk-Zusammenhänge zwischen der Profilumströmung über die Kavitätenströmung bis hin zu den Verlustmechanismen in der Passage. Der statische Druck auf der Nabe aus der Schaufelumströmung verursacht jeweils zwei Einströmgebiete und Ausströmgebiete der Kavität. Aus den Ausströmgebieten entstehen in der Passage zwei gegensinnig drehende Wirbelpaare. Die signifikante Sekundärströmung entsteht aus der saugseitigen Ausströmung, mit einem kleinen saugseitigen Penny-Wirbel und einem größeren druckseitigen Penny Wirbel. Der druckseitige Penny-Wirbel interagiert mit der Querkanalströmung der Grenzschicht und transportiert diese in die Mitte der Passage. Im instationären werden diese Wirbel von Scherschichtwirbeln überlagert. Aus der Sekundärströmung entstehen 99 % der Statorverluste. Durch Anwendung von Verlustkorrelationen wird nachvollzogen, dass 90% der Penny-Verluste aufgrund der saugseitigen Ausströmung entstehen. Bezogen auf die Statorverluste sind 8 % der Verluste durch die Kavität verursacht. Darüber hinaus wurde ein Verstellstator mit Penny-Kavität in einem 3,5 stufigen Verdichter mit RANS-Simulationen untersucht. Durch veränderte Inzidenz wird das Druckfeld der Nabe beeinflusst, wodurch bei positiver Inzidenz die Strömungsverluste steigen. Ebenfalls beeinflussen die bei Schaufelverdrehung entstehenden Stufen die Strömung in der Kavität. Die Statorverluste aufgrund der Penny-Kavitäten betragen zwischen 6 % und 8% der Schaufelverluste. Im Gesamtverdichter senken die Verluste durch die Penny-Kavität den isentropen Wirkungsgrad um 0,4 Prozentpunkte. Weiterhin wird auch der Pumpgrenzabstand durch die Penny-Kavität im Vergleich zu Simulationen ohne Kavität verringert.