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.The recent and future design of axial compressors for aero engines is strongly affected by the aim to generate a high pressure ratio with less stages to increase power and reduce weight to achieve an improved efficiency. This can only be achieved when the stage pressure ratio is raised which leads to increased stage loading. But the higher stage loading results in higher losses caused by stronger secondary flows. This has a negative effect on compressor stability and efficiency. To counteract the negative effects enhanced blade geometries are necessary. With the recently used design methods this is hardly to achieve. For that reason a new method for the three-dimensional design of rotors and stators in axial compressors has been developed. This report summarizes that work. The method accounts for the systematic application of sweep and dihedral as well as the three-dimensional inverse calculation of the camber-line distributions along blade height. To achieve improved efficiency the regions close to the end-walls and the tip and hub gap have to be adapted to the flow environment. The recent report described in detail the theoretical background of the compressor blade flow and compressor blade design. Based on that, two inviscid panel methods for the fully three-dimensional design of compressor blades are described. The panel methods are applied to define a methodology for the effective application of sweep, dihedral and inverse camber-line calculation in a three-dimensional blade design process. Afterwards the findings are used to design a highly-loaded single-stage low-speed research compressor rotor. The validity of the presented design method is proven with CFD and test results