Analyse des turbulenten Nachlaufs eines Verdichtergitters

In dieser Arbeit werden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Ausmischen eines turbulenten Nachlaufes eines modernen Hochdruckverdichterprofils vorgestellt. Außerdem wird der Einfluss der Turbulenzmodellierung in RANS Modellen auf die Vorhersage der Amplituden der Harmonischen des Nachlaufes im Rahmen der Forced Response untersucht. Vor dem Hintergrund, dass in modernen Hochdruckverdichtern Blisks mit im Vergleich zu konventioneller Beschaufelung reduzierter mechanischer Dämpfung eingesetzt werden und Vibrationen die häufigste Ursache für das Versagen von Komponenten in Flugzeugtriebwerken sind, kommt der Qualität der Vorhersage der Force Response im Auslegungsprozess eine wichtige Rolle zu.

Grundlage der Studie bilden Messungen am ebenen Gitterwindkanal des Institutes für Strahlantriebe und Turbomaschinen der RWTH Aachen. Das Verdichterprofil wird bei einer Zuströmmachzahl Ma1 = 0.82 und einer Zuströmreynoldszahl Re1 = 790000 betrieben. Durch hochaufgelöste Traversen mit 3D-Hitzdrahtsonden können alle relevanten Strömungs- und Turbulenzgrößen ermessen werden. Auf Basis der Messungen können die Terme des Impulssatzes und der Erhaltungsgleichungen der turbulenten kinetischen Energie und der Reynoldsspannungen bestimmt werden. Somit können das turbulente Gleichgewicht und die dabei wirkenden Mechanismen detailliert beschrieben werden.

Neben den experimentellen Messungen wird ein numerisches Rechengebiet des Nachlaufes verwendet, für das alle Randbedingungen aus Messdaten definiert werden. Da auch im Rechengebiet hochaufgelöste Messdaten vorliegen, kann isoliert die Qualität der Modellierung der Turbulenz durch das Turbulenzmodell bewertet werden. Als Turbulenzmodelle werden das industriell weit verbreitete k-w-Zweigleichungsmodell und das SSG/LRR-w-Reynoldsspannungsmodell verwendet.

Die Arbeit zeigt die wirkenden Mechanismen beim Ausmischen des turbulenten Nachlaufes eines Verdichterprofils auf und quantifiziert die entsprechenden Größenordnungen. Dabei wird der große Einfluss der Historie der Turbulenz in Form der Schaufelumströmung auf das Ausmischverhalten und die Turbulenz deutlich gemacht. Durch die numerischen Untersuchungen werden die Defizite beider Turbulenzmodelle ausgemacht und die Auswirkung dieser Defizite auf die Bestimmung der Amplituden der Harmonischen des Nachlaufes quantifiziert. Auf diese Weise kann der Entwickler die Unsicherheit seiner numerischen Werkzeuge bei der Bewertung der Forced Response präzise einschätzen.