Aerodynamik axialer Turbokompressoren

Seit der Erfindung des Axialverdichters, der für seine Funktionsweise mit hohem Wirkungsgrad ein deutlich tieferes physikalisches Verständnis erfordert im Vergleich zu den bereits viel früher effektiv einsetzbaren Axialturbinen, hat sich das Funktionsprinzip nicht verändert. Durch das tiefere Verständnis der strömungsmechanischen Phänomene hingegen wurden Wirkungsgrad, Leistung und Betriebsbereich deutlich erweitert. In seinem Buch über Axialverdichter beschreibt Horlock [1] eines der ersten Patente bezüglich der Axialverdichter, das Sir Charles Parsons im Jahre 1901 aufgrund der Patentschrift Nr. 3060 mit dem Titel: „Improvements in Compressors and Pumps of the Turbine Type“ erteilt wurde. Parsons beschreibt den Axialverdichter folgendermaßen: „Meine Erfindung besteht in einem Verdichter oder einer Pumpe, der oder die dadurch gekennzeichnet ist, dass sich Schaufelreihen oder Schaufelkanäle zwischen Reihen von festen Schaufeln bewegen. Die bewegten Schaufeln haben eine größere Teilung als bei meinen Dampfturbinen, sie haben eine gekrümmte Oberfläche auf der Druckseite und sind mit einem geeigneten Winkel zur Drehachse angeordnet. Die festen Schaufeln können eine ähnliche Form haben und können im Verdichtergehäuse mit jedem geeigneten Winkel angeordnet werden.“

Zur Berechnung der Hauptbetriebsdaten der Strömungsmaschinen werden die aus der Strömungsmechanik bekannten Bilanzen

Der Berechnungsgang bei der Auslegung einer Beschaufelung beginnt im Allgemeinen durch die Festlegung der Abmessungen unter Verwendung der thermodynamisch vorgegebenen Zustandswerte eindimensional nach der Stromfadentheorie. Es schließt sich dann die mehrdimensionale Berechnung der Strömung über die Schaufelhöhe an, um über die vorgegebene Umfangsarbeit die Schaufeln profilieren zu können.

Den Wirkungsgrad durch Absenken von Verlusten zu erhöhen, gehört wie die Verbesserung des Pumpgrenzenabstandes seit Beginn der Optimierung der Strömungsmaschinen zu den Zielen. Klassischerweise wurden schwerpunktmäßig Profilverluste, Reibungsverluste, Spaltverluste und Verluste durch Fehlanströmungen unterschieden, obwohl sie mehr oder weniger stark ausgeprägt immer gemeinsam auftreten [1].

Das Erscheinungsbild der Verdichterinstabilitäten ist von einer großen Anzahl von Parametern abhängig, die während des Betriebs einer Turbomaschine variieren und sich nicht immer ausreichend kontrollieren lassen. Um gezielt Gegenmaßnahmen zu entwickeln, ist die detaillierte Kenntnis der Instabilitätsursachen notwendig, wie sie in den letzten Jahren anhand aufwendiger Messverfahren und gut aufgelöster numerischer Untersuchungen gewonnen wurde. Im Folgenden werden das Phänomen des Pumpens und Abreißens sowie Maßnahmen zur Erweiterung der Pumpgrenze bis zur aktiven Überwachung beschrieben.

Die Reduktion der Sekundärverluste verlangt voll dreidimensional gestaltete Schaufelblätter, die möglichst unter Vergrößerung des Pumpgrenzenabstandes in ihrem radialen und axialen Verlauf lokal angepasst werden. Obwohl die Erkenntnis der Notwendigkeit der mehrdimensionalen Gestaltung schon lange besteht, führte erst die Möglichkeit, das Strömungsfeld instationär und dreidimensional unter Erfassung von viskosen Kräften und der Turbulenz mit den relevanten physikalischen Phänomenen berechnen zu können, zu dreidimensional ausgebildeten Beschaufelungen. Die Fortschritte in der berührungslosen Messtechnik unterstützten diesen Trend durch Bereitstellung von Validierungsdaten. Außerdem helfen sie, die komplexen mehrdimensionalen Strömungsformen am Experiment zu verstehen.

Um eine möglichst kompakte, leichte Bauweise bei hohen spezifischen Leistungen und guten Wirkungsgraden zu erzielen, werden Verdichter von Gasturbinen möglichst nahe an der Pumpgrenze betrieben. Insbesondere die Pumpgrenze und das Auftreten der rotierenden Ablösung schränken den Betriebsbereich des Verdichters ein. Der Auslegungspunkt und die Betriebslinie müssen mit einem gewissen Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze gelegt werden, um auch bei Transienten bzw. bei stark geänderten Umgebungsbedingungen den Betrieb sicher zu gewährleisten.

Die instationäre und dreidimensionale Strömung durch die Verdichterbeschaufelung ist bei der Auslegung der Kanalgeometrie zu berücksichtigen. Die Auslegung der Beschaufelung mit großem Streckungsverhältnis legt zwar die Trennung in die Beschreibung der Kanalströmung als Kaskade und als Meridianströmung nahe, wie von Wu [1] eingeführt wurde. Mit geringeren Streckungsverhältnissen ist die dreidimensionale Wechselwirkung bei dieser getrennten Behandlung jedoch immer schlechter beschreibbar. Bei hohen Belastungen der Profile können die Eckenwirbel aufgrund des umfangsmäßigen Druckgradienten zwei Drittel der Kanalhöhe umfassen, so dass die Blockage und die Verluste stark ansteigen.

Der Betriebspunkt eines Verdichters wird im Allgemeinen mit einem sicheren Abstand zur Pumpgrenze gelegt unter Berücksichtigung, dass Verschmutzung und Alterung, Regelabweichungen, transiente und thermische Einflüsse sowie Störungen am Einlass den Pumpgrenzenabstand deutlich reduzieren können. Dies erfordert in der Regel den Betrieb des Verdichters außerhalb des optimalen Wirkungsgrades mit erhöhter Antriebsleistung und erhöhter Verdichteraustrittstemperatur. Um den Pumpgrenzenabstand von Verdichtern oder Fans während des Betriebs möglichst gering zu halten, können Maßnahmen getroffen werden, wie beispielsweise Abblasen oder Eindüsen von Hilfsluft in die energiearme Grenzschicht. Derartige Maßnahmen reduzieren in der Regel den Wirkungsgrad, so dass ihr Einsatz ausschließlich unter kritischen Bedingungen von Vorteil wäre. Dies erfordert die zuverlässige Messung und das rechtzeitige Erkennen der Verdichterinstabilitäten und deren Vorläufer.

Der Gestaltung des Einlaufes zum Verdichter muss besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da erhebliche Verluste auftreten können, die sich auf die Leistung und den Gesamtwirkungsgrad der Maschine, so wie auf das Stabilitätsverhalten des Verdichters auswirken. Die Pumpgrenze des Verdichters wird beeinträchtigt, wenn sich ein zu inhomogenes Anströmprofil einstellt. Zu unterscheiden sind der Einlauf einer stationären Gasturbine mit Anströmbedingungen, die sich über den Betriebsbereich nicht zu stark ändern und der Einlauf einer Fluggasturbine, der unter unterschiedlichsten Anströmbedingungen den Staudruck in statischen Druck und in die Eintrittsgeschwindigkeit am Verdichtereintritt umwandeln muss.

Wassertropfen in der Ansaugluft von Verdichtern können unterschiedliche Ursachen haben. Einerseits kann eine wasserbeladene Strömung aufgrund von Wetterbedingungen, wie Regen und Schnee entstehen. Unterkühlte Wassertröpfchen können unter Reiseflugbedingungen zu plötzlicher Vereisung führen. Durch Vulkanausbrüche können aber auch Partikel bis in hohe Flughöhen gelangen, die die Verdichterbeschaufelung schädigen können. Andererseits wird zur Leistungserhöhung einer Gasturbine bzw. zur Reduktion der Verdichterarbeit bei Industriekompressoren Wasser in den Einlauf eingedüst. Die Wassereindüsung kann aber auch durch Verdichterwaschen erfolgen oder aber unter bestimmten Temperaturen durch Auskondensieren der Luftfeuchte. Die dabei entstehenden Wassertröpfchen können unter bestimmten Umgebungsbedingungen, die bei 60 % relativer Luftfeuchte durchaus bei Temperaturen um 15 °C liegen, zu Eisablagerungen an der Verdichterbeschaufelung führen.

Um die gesteckten Ziele eines umweltfreundlichen Flugtriebwerkes, einen möglichst hohen Vortriebswirkungsgrad bei möglichst niedriger Lärmemission zu erreichen, werden immer höhere Bypassverhältnisse realisiert. Dieser Trend wird auch in naher Zukunft anhalten, um die politischen Vorgaben zu erfüllen. So strebt die EU-Kommission „European Aeronautics: Visio 2020“ in Kooperation mit dem „Advisory Council for Aeronautics Research in Europe" (ACARE) eine Halbierung der Lärm- und CO₂-Emission, sowie eine Absenkung der NOx-Werte um 80 % an.

Die starke Zunahme des Flugverkehrs, verbunden mit der Urbanisierung der Nachbarschaften vieler Flughäfen, führt auf ein zunehmendes Lärmempfinden, so dass der Lärmreduktion eines Flugzeuges und insbesondere der Triebwerke schon während der Entwicklungsphase eine große Bedeutung zukommen. Prinzipiell besteht für die Verdichter im stationären Einsatz dieselbe Problematik, obwohl in diesem Fall durch Kapselung und Schalldämpfer in der Ansaugleitung eine bedeutende Absenkung des Schallpegels erzielbar ist.

Die Schaufelgitter, die als Zylinderschnitte durch Axialmaschinen aufzufassen sind, sollten so konzipiert sein, dass sie die gewünschten Strömungsumlenkungen optimal erreichen. Ihre Geometrie ist entsprechend zu gestalten. Da die Strömungsumlenkung durch Druckkräfte über die Schaufeln bewirkt wird, ist es naheliegend, aus vorgegeben Drücken bzw. Druckverteilungen ein Schaufelprofil auszurechnen (direkte Methode, inverses Verfahren). Für diese Berechnungen müssen jedoch die Bilanzgleichungen nach ihren Randbedingungen, die ja die Berandungen definieren, aufgelöst werden. Dieser Weg führt aber neben mathematischen Problemen häufig zu konstruktiv nicht realisierbaren Konturen. Deshalb löst man die Aufgabe meist nach dem umgekehrten Verfahren (indirekte Methode). Man gibt eine Profilkontur vor und prüft nach, ob sie günstig genug ist. Wenn die Anforderungen nicht gut genug erfüllt werden, wird die Kontur geändert und nochmals überprüft. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das Ergebnis befriedigt.

In Kapitel Abschn. 14.​3 wurde das grundlegende Gleichungssystem der Navier-tokes’schen Gleichungen zusammengefasst dargestellt zu

Traditionell werden in Turbomaschinen neben Temperaturen der Totaldruck im Strömungsfeld sowie statische Drücke an den Wänden der Bauteile gemessen. Aus den Druckmessungen werden Geschwindigkeiten abgeleitet. Je nach Bauart und Messprinzip ergeben sich zeitlich gemittelte oder zeitlich aufgelöste Verläufe.