Zur Wechselwirkung zwischen Zapfluftentnahme und Hauptkanalströmung in ebenen Verdichtergittern

Überblick
Das Sekundärluftsystem in modernen Flugantrieben ist eine notwendige Hilfseinrichtung,
die zu einem sicheren und stabilen Betrieb des Triebwerks beiträgt. Dem
Verdichter wird in unterschiedlichen Druckstufen Zapfluft entnommen, um die internen
und externen Verbraucher des Sekundärluftsystems zu versorgen. Die Zapfluft
wird über Kavitäten am Gehäuse oder an der Nabe abgeführt, wobei die Zapfluftmenge
bis zu 30% des Hauptmassenstroms betragen kann. Da die Entnahme von
Zapfluft aus dem Verdichter einen direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad und
den Kraftstoffverbrauch des Triebwerks hat, muss die Entnahmekavität ideal an die
Strömungsbedingungen angepasst werden. Die Kavitäten müssen über einen breiten
Betriebsbereich hohe statische Druckrückgewinne garantieren und zugleich die
Hauptkanalströmung so wenig wie möglich beeinflussen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einer Zapfluftentnahmekavität
und der Hauptkanalströmung in einem ebenen Verdichtergitter experimentell
und numerisch untersucht. Die experimentelle Untersuchung der Verdichterkaskade
wurde in einem Niedergeschwindigkeitsgitterwindkanal durchgeführt. Die
Analyse der experimentellen Daten wurde zusätzlich durch numerische Simulationen
unterstützt. In dieser Untersuchung wurde die Zapfluft über einen in Teilungsrichtung
symmetrischen Schlitz in der Seitenwand stromab der Kaskade entnommen
und über eine Entnahmekavität abgeführt. Der Einfluss der Zapfluftentnahme auf
die Hauptkanalströmung wird anhand von drei unterschiedlichen Zapfluftmengen
(4,0%, 7,8% und 14,3% der Hauptkanalströmung) beschrieben und diskutiert. Die
Ergebnisse zeigen, dass die Entnahme von Zapfluft stromab des Schaufelgitter einen
nennenswerten Einfluss auf die Charakteristik des Schaufelgitters hat und für eine
Umverteilung der Strömung innerhalb und außerhalb der Schaufelpassage sorgt.
Die Sekundärwirbel im Nachlauf des Schaufelgitters werden teilweise komplett über
den Entnahmeschlitz abgesaugt. Die Beeinflussung der Strömung durch Zapfluftentnahme
beschränkt sich nicht nur auf den Seitenwandbereich am Entnahmeschlitz,
sondern hat auch einen Einfluss auf die gegenüberliegende Seitenwand.
Des Weiteren wurden in dieser Arbeit vier unterschiedliche Entnahmekavitäten auf
ihr Betriebsverhalten untersucht. Auf Basis einer Referenzgeometrie wurde der Strömungspfad
innerhalb der Entnahmegeometrie schrittweise den Strömungsbedingungen
angepasst. Die Position und Form des Entnahmeschlitzes wurden dabei nicht
geändert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Anpassung des Strömungspfads der
statische Druckrückgewinn der Kavität um bis zu (Delta)cp = 0, 17 gesteigert werden
konnte.