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Arbeitsgruppe Axialverdichter

Beschreibung

Die Fachgruppe Axialverdichter forscht vorrangig auf dem Gebiet der Gasturbinen. Dabei lässt sich die Motivation gemäß dem Einsatzfall der Gasturbine unterscheiden. So verlangen auf dem Gebiet der Flugtriebwerke das stetig steigende Flugaufkommen sowie die Verschärfung der globalen Klimaziele nach effizienteren und leistungsfähigeren Triebwerken. Es sollen gemäß der ACARE-Vereinbarung bis 2050 die NOx-Emissionen um 95 % und die CO2-Emissionen um 75 % reduziert werden. Seitens der Energieversorgung stellt vor allem der 2011 beschlossene Atomausstieg in Verbindung mit dem Erneuerbare Energien Gesetz die grundlegende Herausforderung dar. Gasturbinen bieten hier aufgrund ihrer schnellen Regelbarkeit ideale Voraussetzungen um Lastschwankungen auszugleichen. Hieraus ergibt sich die Forderung nach einer hohen Teillastflexibilität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad über einen breiten Kennfeldbereich. Als eine der drei Hauptkomponenten leistet der Verdichter einen signifikanten Beitrag zu den Gesamtverlusten eines Triebwerks oder einer stationären Gasturbine und bietet dementsprechend hinreichendes Potential zur Effizienzsteigerung. Das Ziel beider Anwendungsgebiete ist es daher, die in Verdichtern durch Sekundärströmungen und Profilverluste verursachten Wirkungsgraddefizite zu reduzieren und dadurch die Effizienz der Gasturbinen zu steigern. Die Fachgruppe Verdichter beschäftigt sich daher mit aktuellen Fragestellungen in den Bereichen der aktiven Strömungsbeeinflussung sowie der Oberflächenstrukturierung, um die Sekundärströmungs- und auch die Profilverluste in Verdichtern zu reduzieren. Hierzu findet Forschung sowohl in öffentlich geförderten Forschungsvorhaben, als auch in reinen Industrieaufträgen statt.

Zur Reduzierung der Sekundärströmungsverluste über die komplette Kennfeldbreite des Verdichters werden unterschiedliche Methoden der aktiven Strömungsbeeinflussung untersucht.  So beschäftigt sich ein Vorhaben damit, durch gezielte Einblasung im Seitenwandbereich einer Statorbeschaufelung auftretende Eckenwirbel zu minimieren und die Stufenbelastung dadurch zu steigern. In einem weiteren Vorhaben konnte durch die Verwendung einer sogenannten Strahlklappe bei gleichbleibender Stufenbelastung die Schaufelzahl einer Statorreihe um 20 % reduziert werden. Als Grundlage für die Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses der Verlustmechanismen und der Funktionsweise der oben geschilderten Maßnahmen dienen als experimentelle Versuchsträger der vierstufige Hochgeschwindigkeits-Axialverdichter und der Gitterwindkanal. Begleitende numerische Simulationen zu den Forschungsvorhaben werden mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Um hier auch kleinskalige Effekte  auflösen zu können, ist ein weiteres Aufgabenfeld der Gruppe die Entwicklung neuer und die Verbesserung bestehender Messtechniken.

Die Forschung im Bereich der Oberflächenstrukturen umfasst sowohl numerische Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen im Verdichter und im Gitterwindkanal. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Erforschung der wesentlichen strömungsmechanischen Effekte innerhalb der Profilgrenzschicht, insbesondere der Einfluss unterschiedlicher, anisotroper Oberflächenstrukturen auf die Verlustentstehungsmechanismen innerhalb turbulenter Grenzschichten. Hier beschäftigt sich ein Projekt mit der Wirksamkeit von sogenannten Riblets, mikroskopisch kleinen, in Strömungsrichtung ausgerichteten Längsrillen zur Minderung der Wandschubspannung. Neben den experimentellen Arbeiten werden numerische Untersuchungen durchgeführt. Ein Projekt beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Oberflächenrauheiten betreibsbeanspruchter und regenerierter Schaufeln. Diese zeichnen sich durch die Mischung von isotropen und anisotropen Oberflächestrukturen aus. Um einen schnellen und effizienten Nutzen für die industrielle Anwendung zu realisieren, beschäftigt sich ein Projekt mit der Modellierung und Implementierung des Einflusses von Oberflächen auf die Grenzschcht durch Modifikation von Turbulenzmodellen.

 Abgeschlossene Projekte

  • Aktive Strömungsbeeinflussung in aerodynamisch hochbelasteten Verdichter-Statoren durch den Einsatz von Strahlklappen I
  • Diagnostik und Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen anhand exhalierter Aerosole
    (I und II)
  • Riblets auf Verdichterschaufeln - Entwicklung von Fertigungsverfahren zur lokalen Strukturierung und Bewertung der Verlustminderung
  • SFB 871 - Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Beschaufelungen (1. Förderperiode)

Laufende Projekte

  • Aktive Strömungsbeeinflussung in aerodynamisch hoch belasteten Verdichter-Statoren durch den Einsatz von Strahlklappen II
  • Ausblasung und Absaugung auf hochbelasteten Verdichter-Stufen
  • Modellierung oberflächennaher Strömungen
  • Nachweis des aerodynamischen Potentials von durch Schleifen und Laserabtrag hergestellten Riblets in einem hochbelasteten Axialverdichter   
  • Numerische Untersuchung von Kavitäten und Dichtungssystemen im Axialverdichter

Gruppenleitung

Gruppenleiter

Dipl.-Ing. Tobias Willeke

Stellv. Gruppenleiter

Dipl.-Ing. Philipp Gilge