Kurzbeschreibung

Während des Flugbetriebs kann ein Flugtriebwerksverdichter unter bestimmten Betriebsbedingungen in einen instabilen Betriebsbereich geraten. Solche instationären Zustände können beispielsweise durch Seitenwind, inhomogene Zuströmungen am Triebwerkseinlauf, schnelle Änderungen der Leistungsanforderung, überhöhte Kraftstoffzufuhr oder Fremdkörper in der Strömung ausgelöst werden. 

Der stabile Arbeitsbereich eines Verdichters wird im Verdichterkennfeld durch die sogenannte Stabilitätsgrenze bzw. Surge Line begrenzt. Wird diese Grenze unterschritten kann die Strömung im Verdichter nicht mehr stabil aufrechterhalten werden. Bevor es zu einem vollständigen Strömungszusammenbruch kommt, treten häufig zunächst lokale Strömungsablösungen an den Verdichterschaufeln auf. Dieser Zustand wird als Rotating Stall bezeichnet. Dabei kommt es zu Bereichen mit stark reduzierter oder sogar rückwärts gerichteter Strömung, die sich als rotierende Zellen entlang des Umfangs der Schaufelreihe bewegen. In diesem Zustand ist der Verdichter weiterhin grundsätzlich funktionsfähig, allerdings treten bereits deutliche Druckschwankungen, erhöhte Verluste und starke aerodynamische Belastungen der Schaufeln auf. 

Wird die Instabilität stärker, kann die Pumpgrenze (Surge) überschritten werden. In diesem Fall bricht die Strömung im gesamten Verdichtersystem zusammen. Surge ist eine globale aerodynamische Instabilität, bei der der gesamte Massenstrom durch den Verdichter periodisch schwankt oder sogar kurzzeitig seine Richtung umkehrt. Dieser Zyklus aus Druckaufbau, Strömungszusammenbruch, Rückströmung und Wiederaufbau wiederholt sich periodisch und wird als Verdichterpumpen bezeichnet.

Während eines Verdichterpumpens entstehen starke Druck- und Massenstromoszillationen im gesamten Verdichter. Diese führen zu erheblichen mechanischen Belastungen der Struktur. Zu den wichtigsten Folgen gehören:

• starke aerodynamische Kräfte auf die Verdichterschaufeln
• periodisch wechselnde Biege- und Torsionsbelastungen der Rotorstruktur
• mögliche Anregung von Eigenmoden der Schaufeln (Aeroelastik / Flutter)

Durch diese zyklischen Belastungen können Verdichterschaufeln zu Eigenschwingungen angeregt werden oder sich elastisch verformen. In extremen Fällen können sogar strukturelle Schäden auftreten.

Besonders kritisch ist dabei, dass während dieser instationären Betriebszustände auch die radiale Position der Rotorblätter relativ zum Gehäuse stark variieren kann. Dadurch kann es zu temporären Spaltschließungen oder sogar Rotor-Gehäuse-Kontakten kommen.

Projektziele

Mit aktuellen Simulations- und Berechnungsmethoden ist es nicht möglich, die Veränderung des radialen Rotor-Gehäuse-Spalts während eines Verdichterstoßes zuverlässig vorherzusagen. Insbesondere während Verdichterinstabilitäten treten komplexe Wechselwirkungen zwischen Aerodynamik, Struktur und Rotordynamik auf, die mit den derzeit etablierten Modellen nicht vollständig erfasst werden können.

Aus diesem Grund wird der radiale Laufspalt in der Praxis häufig auf Basis von Erfahrungswerten ausgelegt. Um ein mögliches Einlaufen des Rotors in das Gehäuse während instationärer Betriebszustände zu verhindern, wird dabei eine zusätzliche Sicherheitsreserve berücksichtigt. Diese konservative Auslegung kann jedoch negative Auswirkungen haben. Wird die Sicherheitsreserve zu groß gewählt, führt der vergrößerte Laufspalt zu einem Wirkungsgradverlust des Verdichters sowie einer Reduktion des Pumpgrenzenabstandes. Damit entsteht ein Zielkonflikt zwischen mechanischer Sicherheit und aerodynamischer Leistungsfähigkeit.

Ziel ist daher die Entwicklung einer Methode zur Berechnung radialer Rotor-Spaltschließungen während Verdichterinstabilitäten.

Eine solche Methode soll es ermöglichen, die dynamische Veränderung des radialen Spalts während instationärer Verdichterphänomene vorherzusagen und die notwendige Sicherheitsreserve bei der Spaltauslegung zu reduzieren, ohne das Risiko eines Rotor-Gehäuse-Kontakts zu erhöhen.