Längswirbel in einem beschaufelten Radialverdichterdiffusor mit geringem Höhen-Breiten-Verhältnis
Christopher Daniel Jagdfeld
Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der zeitgemittelten Durchströmung eines beschaufelten Radialverdichterdiffusors im Hinblick auf die Entwicklung von Längswirbeln über einen breiten Kennfeldbereich und ihr Einfluss auf die Diffusorabströmung. Untersucht wird die radiale Verdichterendstufe eines Strahltriebwerks der niedrigen Schubklasse, dessen Diffusionssystem aus einem radialen Profilschaufeldiffusor und einer einreihigen Umlenkbeschaufelung besteht. Vorherige Forschungsarbeiten zeigten, dass der angestrebte Druckaufbau und Wirkungsgrad bei breitem Arbeitsbereich nicht erreicht wird. Neben den primär im Diffusor erzeugten Verlusten wird als Ursache hierfür auch die durch Längswirbel hervorgerufene Fehlanströmung der Umlenkbeschaufelung vermutet. Eine theoretische Erklärung für die Entstehung von „Halswirbeln“ im Diffusorhals ist anhand der spannweitigen Inhomogenität der Diffusorzuströmung möglich, die durch die bekannte Strahl-Totwasser-Laufradabströmung verursacht wird. Es ist jedoch bislang unerforscht, ob sich diese Wirbel auch in Stufen mit geringem Höhen-Breiten-Verhältnis entwickeln. Der experimentelle Nachweis dessen erfordert den Einsatz berührungsloser Messtechniken in dem flachen Diffusorkanal. Zur Geschwindigkeitsmessung wird ein Laser-Doppler-Anemometrie-System (LDA) in Kombination mit einem 6-Achs-Industrieroboter als Traversiereinheit verwendet. Einflüsse auf die LDA-Signalqualität und eine angepasste Laserstrahlkonfiguration werden vorgestellt. Zeitgemittelte instationäre Strömungssimulation mit dem Löser TRACE werden mit LDA- und Druckmessungen verglichen. Die Messergebnisse zeigen im Ein- und Austrittsbereich des Diffusorkanals Sekundärströmungen, die das Aufrollen zu Wirbelstrukturen forcieren. Es wird gezeigt, dass von den insgesamt sieben im Diffusor vorliegenden Längswirbeln vorwiegend der nabenseitige Halswirbel und der Diffusorhinterkantenwirbel die Zuströmung der Umlenkbeschaufelung beeinflusst.
