Experimente zur aktiven Strömungsbeeinflussung in einer Verdichterkaskade mit pulsierenden Wandstrahlen

Der Kostendruck auf die Airlines und kontinuierlich steigende Treibstoffpreise zwingen die zivile Luftfahrtindustrie – heute mehr denn je – die Wirtschaftlichkeit von Verkehrsflugzeugen zu steigern. Zukünftig müssen somit neue Technologien erforscht und entwickelt werden. Wird die aktive Strömungsbeeinflussung als neue Technologie auf den Verdichter eines Flugzeugtriebwerks transferiert, so bietet dies gänzlich neue aerodynamische Auslegungsmöglichkeiten der Verdichterbeschaufelung, hin zur Realisierung einer überkritischen Umlenkung der Statorschaufel und der somit erzielten Steigerung des Stufendruckverhältnisses. In der vorliegenden Arbeit wurden die strömungsphysikalischen Mechanismen der aktiven Strömungsbeeinflussung experimentell untersucht. Des Weiteren wurde das bereits an der TU Berlin erfolgreich eingesetzte Aktuatorkonzept, die Strömungsablösung durch gepulstes Ausblasen aus wandbündigen Schlitzen zu unterdrücken, auf die Passagenströmung einer Verdichterkaskade übertragen. Die Zielsetzung der experimentellen Untersuchung war, die Wirkmechanismen des gepulsten Wandstrahls zu identifizieren, erstmals systematisch den Einfluss des Ausblaswinkels auf diese Mechanismen zu analysieren und sowohl die Interaktion als auch die Auswirkung der Aktuatorik auf die hochgradig dreidimensionale Passagenströmung der Verdichterkaskade zu bestimmen. Die Passagenströmung der Verdichterkaskade wurde durch zwei unterschiedliche Aktuatorkonzepte erfolgreich aktiv beeinflusst. Die saugseitige Strömungsablösung wird durch das Verschieben der Passagenwirbel zu den Seitenwänden verbreitert, so dass diese wesentlich effektiver durch den Schlitzaktuator unter Ausnutzung der vom Wandstrahl induzierten Querwirbelstrukturen unterdrückt werden kann. Die Strömung wird somit über die Statorschaufel wesentlich stärker umgelenkt und verzögert. Zugleich wirken die Seitenwandaktuatoren wiederum der Sekundärströmung, welche durch die vergrößerte Umlenkung zunimmt, entgegen. Durch die Kombination beider Aktuatorkonzepte konnte eine Steigerung der statischen Druckerhöhung von bis zu 8% erzielt werden, bei gleichzeitiger Reduktion des Totaldruckverlustes um 13%. Der dabei benötigte Aktuatormassenstrom hat 0,5% des Passagenmassenstroms nicht überschritten.