Entwicklung eines Verfahrens für den dreidimensionalen Entwurf von Rotoren in Axialverdichtern

Die heutige und zukünftige Entwicklung beim Entwurf von Axialverdichtern für die Anwendung in Flugzeugtriebwerken ist immer stärker davon geprägt, ein möglichst großes Druckverhältnis mit möglichst wenigen Stufen zu erzeugen. Ziel ist es, möglichst viel Leistung mit möglichst geringem Gewicht umzusetzen, um die Effizienz der Maschine weiter zu verbessern. Um dies zu erreichen, muss eine Erhöhung der Stufendruckverhältnisse und damit eine Erhöhung der Stufenbelastung in Kauf genommen werden. Die höhere Belastung hat jedoch einen Anstieg der Verluste aufgrund der stärker werdenden Sekundärströmungen zur Folge, und wirkt sich zunächst negativ auf die Stabilität und den Wirkungsgrad der Maschine aus. Diese negativen Effekte können nur durch eine Weiterentwicklung der Schaufelgeometrie kompensiert werden. Hierbei stoßen die derzeit benutzten Entwurfsmethoden jedoch an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurde ein neues Verfahren für den dreidimensionalen Entwurf von Rotoren in Axialverdichtern entwickelt. In dieser Arbeit wird dessen Entwicklung präsentiert. Das Verfahren umfasst die systematische Anwendung von Pfeilung und V-Stellung, sowie die dreidimensionale inverse Berechnung der radialen Skelettlinienverteilung. Um damit eine Verbesserung des Rotorwirkungsgrades zu erreichen, müssen vor allem die kritischen wand- bzw. spaltnahen Bereiche optimal an die Strömungsumgebung angepasst werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt ausführlich die theoretischen Grundlagen der Rotorströmung und des Rotorentwurfs. Basierend darauf werden für die Umsetzung eines vollständigen dreidimensionalen Schaufelentwurfs zwei Panelverfahren zur Berechnung der dreidimensionalen jedoch reibungslosen Strömung, zur Lösung der Nachrechen- bzw. der Entwurfsaufgabe, entwickelt. Die Panelverfahren werden angewandt, um eine Methodik für den effektiven Einsatz von Pfeilung, V-Stellung und inverser Skelettlinienberechnung für den dreidimensionalen Rotorentwurf festzulegen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend für den Entwurf eines hochbelasteten Rotors in einem einstufigen Niedergeschwindigkeitsverdichter nach dieser neuen Entwurfsmethodik genutzt. Anhand von Ergebnissen aus Rechnungen und Messungen für diesen Rotor wird die Wirksamkeit des Verfahrens demonstriert.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Technische Universität Dresden

Year

2009

Author dc:creator

• Clemen, Carsten

Contributors dc:contributor

• Vogeler, Konrad
• Radespiel, Rolf
• Gümmer, Volker

• Axialverdichter
• Rotor
• Pfeilung
• inverse
• Skelettlinie
• 3D Schaufel
• compressor
• 3D design
• inverse design
• sweep
• dihedral
• optimisation