Berechnungsmodell zur Widerstandsbeeinflussung nicht-idealer Riblets auf Verdichterschaufeln

Abstract

Vor dem Hintergrund, die CO2-Emissionen und die Betriebskosten von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken zukünftig signifikant zu reduzieren und dadurch politisch gesetzte und ökonomisch gebotene Ziele zu erreichen, bleibt es das Hauptziel der Hersteller, deren Wirkungsgrad und somit die Leistungsdichte stark zu erhöhen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen alle heutzutage bekannten Maßnahmen zur aerodynamischen Verbesserung der Maschinenkomponenten ausgeschöpft werden, indem die aerodynamischen Verluste reduziert werden und somit die Effizienz der einzelnen Komponenten gesteigert wird. Ein großer Anteil der aerodynamischen Verluste entsteht durch Dissipation an den Schaufeloberflächen. Eine innovative passive Maßnahme, die Dissipationsverluste zu reduzieren, ist die Applikation von aus der Bionik bekannten in Hauptströmungsrichtung orientierten, klein-skaligen Längsrillen, sogenannten Riblets, auf den Schaufeloberflächen. Riblets können die Dissipationsverluste in der turbulenten Grenzschicht reduzieren. Für die zukünftige Anwendung von Riblets bedarf es neben industriell einsetzbaren Herstellungsverfahren auch geeigneter Auslegungswerkzeuge, da der aerodynamische Einfluss von Riblets stets lokal bewertet werden muss. Diese Auslegungswerkzeuge müssen den aerodynamischen Einfluss von Riblets bereits während der Profilauslegung prognostizieren können. In dieser Arbeit wird ein Prognosewerkzeug entwickelt, mit dem der aerodynamische Einfluss von Riblets auf die Profilverluste von zweidimensionalen, ebenen Schaufelgittern durch den Einsatz empirischer Modelle vorausgesagt werden kann. Das Modell zur Prognostizierung der Wandschubspannungsbeeinflussung von Riblets wird ausgehend von bekannten Messdaten an ebenen Platten entwickelt und verifiziert. Die Berücksichtigung fertigungsbedingter Streuungen der geometrischen Parameter einer nicht-idealen, durch Laser-Abtrag oder durch Schleifen hergestellten Riblet-Oberfläche auf die Wandschubspannungsreduktion und die Profilverluste erfolgt durch probabilistische Berechnungen mit einer Monte-Carlo-Simulation. Die stochastischen Verteilungen der Ergebnisgrößen ermöglichen, systematisch Maßnahmen zur weiteren Verbesserung der durch Schleifen und Laser-Abtrag hergestellten Riblets abzuleiten. Das entwickelte Prognosewerkzeug ermöglicht erstmals ergänzend zu den Messdaten, den aerodynamischen Einfluss von Riblets auf der Saug- und Druckseite sowie durch die lokale Anpassung und Schräganströmung systematisch zu bewerten. Die Erkenntnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag für die Ableitung von Auslegungsrichtlinien für die zukünftige Applikation von Riblets auf dreidimensionalen Verdichterprofilen in Axialverdichtern. Besonders die Anwendung von Riblets auf der saugseitigen Schaufeloberfläche aerodynamisch hoch belasteter Verdichterprofile verspricht eine signifikante Minderung der Profilverluste.