Aerodynamisches Verhalten eines transsonischen Gasturbinenverdichters unter realistischen Einlaufstörungen

In Gasturbinenkraftwerken erfolgt die Luftzuführung zum Verdichter über ein komplexes Einlaufsystem. Durch die Art der Luftführung entstehen neben Druckverlusten zusätzliche Sekundärströmungen, die in einem inhomogenen Strömungsfeld an der Verdichtereintrittsebene resultieren. Der Einfluss dieser Einlaufstörungen auf das Betriebsverhalten einer Verdichterfrontstufe wird in der vorliegenden Arbeit mittels experimenteller und begleitender numerischer Untersuchungen analysiert. Die Experimente wurden an einem transsonischen Verdichterprüfstand durchgeführt. Die Kopplung einer maschinenähnlichen Zuströmstrecke mit einer repräsentativen Verdichterstufe ermöglicht die Untersuchung unter anwendungsnahen Betriebsbedingungen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich infolge der Strömungsumlenkung im Zuluftsystem
zwei gegenläufig rotierende Wirbel ausbilden, die eine kombinierte Winkel- und
Totaldruckstörung am Eintritt des Verdichters hervorrufen. Die Einlaufstörung
wirkt sich auf das globale, stationäre Betriebsverhalten der Verdichterstufe in Form eines erhöhten Eintrittsdruckverlusts aus. Darüber hinaus breiten sich die Strömungsinhomogenitäten durch den Verdichter hindurch aus und beeinflussen das Betriebsverhalten der nachfolgenden Stufen in der Gesamtmaschine. Die axiale Störungsfortpflanzung durch den Rotor und den Stator verändert sich dabei grundlegend mit dem Betriebspunkt des Verdichters. Zusätzlich beeinflusst das Zuluftsystem das transiente Verhalten der Verdichterstufe an der aerodynamischen Stabilitätsgrenze. Zum einen wird für das Vorhandensein von Einlaufstörungen eine Erweiterung der Kennfeldbreite beobachtet. Zum anderen verändert sich mit der Zuströmgeometrie die Varianz und die Ausprägung der Phänomene, die sich nach Überschreitung der Stabilitätsgrenze einstellen.