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Arbeitsgruppe Axialverdichter

Beschreibung

 

Die Fachgruppe Axialverdichter forscht vorrangig auf dem Gebiet der Gasturbinen für Luftfahrtantriebe und die stationäre Energieerzeugung. Dabei lässt sich die Motivation gemäß dem Einsatzfall der Gasturbine unterscheiden. Flugtriebwerke verlangen infolge des stetig steigenden Flugaufkommens sowie der Verschärfung der globalen Klimaziele nach effizienteren und leistungsfähigeren Triebwerken. Gemäß der ACARE-Vereinbarung sollen bis 2050 die NOx-Emissionen um 95 % und die CO2-Emissionen um 75 % reduziert werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Leistungsdichte und die Effizienz von Flugtriebwerken stetig erhöht werden.

Auf Seite der Energieversorgung formuliert vor allem der 2011 beschlossene Ausstieg aus der Kernenergie in Verbindung mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz die grundlegenden Herausforderungen für stationäre Gasturbinen. Diese Herausforderungen sind eine schnelle Regelbarkeit und hohe Betriebsflexibilität, um die Versorgungsschwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen. Für Verdichter ergibt sich damit die Forderung nach einer hohen Teillastflexibilität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad über einen breiten Kennfeldbereich.

Als eine der drei Hauptkomponenten verursacht der Verdichter durch Profil- und Sekundärströmungsverlusten einen signifikanten Anteil der Gesamtverluste eines Triebwerks oder einer stationären Gasturbine. Je nach Verlustart bietet der Verdichter ein entsprechend hohes Potential zur weiteren Effizienzsteigerung des Gesamtsystems.

Die Fachgruppe Verdichter beschäftigt sich daher mit aktiven und passiven Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung zwecksVerlustreduzierung, Effizienzsteigerung und Kennfelderweiterung. In Bezug auf passive Maßnahmen, liegt ein Forschungsschwerpunkt auf Oberflächenstrukturen. Die Forschung wird öffentlich gefördert.

Forschungsschwerpunkte

Aktive Strömungsbeeinflussung

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.

Oberflächenstrukturen

Dieser Schwerpunkt behandelt die wesentlichen strömungsmechanischen Effekte innerhalb der Profilgrenzschicht, insbesondere den Einfluss unterschiedlicher anisotroper Oberflächenstrukturen auf die Verlustentstehungsmechanismen innerhalb turbulenter Grenzschichten. Ein weiteres Projekt untersucht die Wirksamkeit von sogenannten Riblets, mikroskopisch kleinen, in Strömungsrichtung ausgerichteten Längsrillen zur Minderung der Wandschubspannung. Frühere Untersuchungen zeigten eine signifikante Reduzierung der Wandschubspannung und der Profilverluste. Das aktuelle Projekt überträgt diese Methodik auf die technologische Ebene der technischen Anwendung in einem mehrstufigen Axialverdichters.

Betriebsbedingte Oberflächenstrukturen, welche eine Mischung aus isotropen und anisotropen Elementen aufweisen, werden experimentell im Gitterwindkanal untersucht. Auf Basis einer geometrischen und aerodynamischen Charakterisierung dieser Oberflächenstrukturen werden Korrelationen zur Vorhersage der aerodynamischen Verlustbeeinflussung formuliert.

Um einen schnellen und effizienten Nutzen für die industrielle Anwendung zu realisieren, beschäftigte sich ein Projekt mit der Modellierung und Implementierung des Einflusses von Oberflächenstrukturen auf die Grenzschicht. Zu diesem Zweck wurde ein etabliertes Turbulenzmodell in einem industriell genutzten Strömungslöser modifiziert, um die Auswirkungen von Oberflächenstrukturen auf die Strömung zu simulieren.

 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 
  • Ausblasung und Absaugung auf hochbelasteten Verdichter-Stufen
  • Aktive Strömungsbeeinflussung in aerodynamisch hoch belasteten Verdichter-Statoren durch den Einsatz von Strahlklappen II
  • 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. Michael Henke

Stellv. Gruppenleiter

Dipl.-Ing. Philipp Gilge