In dieser Arbeit wurden mit Hilfe numerischer Simulationen (CFD) die stabilitätskritischen Strömungsmechanismen im Bereich der Pumpgrenze von transsonischen Verdichterrotorstufen und ihre Manipulation mittels passiver Gehäusestrukturen (sog. Casing Treatment, kurz CT) untersucht. Simuliert wurden hierbei im direkten Vergleich der NASA Rotor 37 und ein modernes Schaufeldesign sowohl mit glatter Gehäusewand als auch mit einer neu entwickelten Gehäusestruktur. Die Analysen bei glatter Wand zeigen deutlich, dass im Bereich der Schaufelblattspitzen je nach Anströmbedingung, Schaufel- und Gehäusedesign unterschiedliche Faktoren für den Verlust der Strömungsstabilität verantwortlich sein können. Neben einer reinen aerodynamischen Überlastung des Rotorschaufelprofils spielen insbesondere auch die Spaltströmung, der Spaltwirbel und das Stoßsystem eine essentielle Rolle. Zur Beschreibung der Intensität dieser Strömungsmechanismen können spezielle Kennzahlen definiert werden. Es zeigt sich in den Simulationen, dass sich die Strömungsphänomene in beiden betrachteten Verdichtersystemen hinsichtlich dieser Kennzahlen deutlich unterscheiden. Dieser Unterschied spiegelt sich auch in den Simulationen mit dem neu entwickelten CT deutlich wider. Während sich bei dem Verdichter mit dominantem Spaltströmungseinfluss eine Pumpgrenzverschiebung von über 25 Prozent ohne Einbußen im maximalen Wirkungsgrad erreichen lässt, bewirkt der CT-Einsatz am zweiten Verdichter (dominantes Stoßsystem) lediglich eine Erhöhung der Stabilität um 8 Prozent bei gleichzeitig deutlichen Wirkungsgradverlusten. Gestützt durch diese Erkenntnis kann letztlich gefolgert werden, dass die Aerodynamik im Bereich der Schaufelblattspitzen der Schlüssel für den effizienten Einsatz von CTs ist. Optimale Ergebnisse lassen sich nur dann erreichen, wenn die Spaltströmung der stabilitätskritische Faktor ist.     «

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe numerischer Simulationen (CFD) die stabilitätskritischen Strömungsmechanismen im Bereich der Pumpgrenze von transsonischen Verdichterrotorstufen und ihre Manipulation mittels passiver Gehäusestrukturen (sog. Casing Treatment, kurz CT) untersucht. Simuliert wurden hierbei im direkten Vergleich der NASA Rotor 37 und ein modernes Schaufeldesign sowohl mit glatter Gehäusewand als auch mit einer neu entwickelten Gehäusestruktur. Die Analysen bei glatter Wand zeigen d...     »

This thesis deals with the numerical investigation (CFD) of the stability-limiting flow mechanisms close to surge in highly loaded transonic compressor rotor stages and their manipulation by passive casing treatments. Detailed flow simulations of the NASA Rotor 37 and a recently designed modern compressor stage, both with smooth casing and with a newly developed casing treatment configuration were carried out for direct comparison. With a smooth casing, the analyses show that different flow mechanisms near the blade tip region may responsible for the loss of flow stability, depending on inlet flow conditions, blade and casing design. Besides a purely aerodynamical overloading of the rotor airfoils also the tip leakage flow, its resulting vortex and the blade tip shock system play an essential role. For these mechanisms different blockage factors can be introduced in order to estimate their individual impact on compressor flow. The simulations revealed that the flow phenomena of the two examined compressor systems differentiate clearly with regard to these blockage factors. This difference is also clearly reflected by the simulations using the newly developed casing treatment. While the surge limit could be increased by over 25 percent in the case of the compressor with a dominating tip leakage impact without any loss in maximum efficiency, the application of casing treatment on the second compressor (dominating shock system) only resulted in a stability increase of 8 percent, however, with a simultaneous clear loss in efficiency. Based on these results, the conclusion can be drawn that the rotor blade tip’s aerodynamics is the key to an efficient application of casing treatments. Optimum results can only be achieved if the compressor’s flow stability is mainly limited by the mechanisms of tip leackage flow.     «

This thesis deals with the numerical investigation (CFD) of the stability-limiting flow mechanisms close to surge in highly loaded transonic compressor rotor stages and their manipulation by passive casing treatments. Detailed flow simulations of the NASA Rotor 37 and a recently designed modern compressor stage, both with smooth casing and with a newly developed casing treatment configuration were carried out for direct comparison. With a smooth casing, the analyses show that different flow mech...     »