LuFo VI-2 RDUCT - Strömungskontrolle im Zwischenverdichterkanal

Abstract

Das Projekt RDUCT ist eine Kooperation des KMU NAVASTO GmbH mit der TU Berlin (Fachgebiet Luftfahrtantriebe) und dem Institut für Antriebstechnik (Abteilung Fan und Verdichter) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR). Ziel des Projektes ist die numerische Optimierung und experimentelle Validierung aktiver Strömungskontrolle (AFC) mittels Pulsed Jet Actuators (PJA) im Verdichterübergangskanal (ICD). Hierbei übernimmt das DLR die numerische Optimierung der Position und Ausrichtung der aktiven Strömungskontrolle sowie die experimentelle Validierung unter triebwerksähnlichen Bedingungen. Die Validierung des numerischen Setups wurde mit experimentellen Daten durchgeführt, die an dem skalierten TUB ICD Prüfstand gewonnen wurden. Dadurch konnten die numerischen Einstellungen so eingestellt werden, dass die Simulationen die Strömungsphänomene im ICD in guter Näherung wiedergeben. Dies war nur mit dem höherwertigen Reynoldsspannungs-Turbulenzmodell möglich, was die Notwendigkeit des gewählten Ansatzes unterstreicht. Für neuartige Konzepte in einer Turbomaschine sind experimentelle Vergleichsdaten in einem frühen Projektstadium unerlässlich, um verlässliche numerische Simulationen aufsetzen zu können. Dadurch können die Risiken der experimentellen Validierung auf Komponetenprüfstände im Originalmaßstab reduziert werden. Mit den numerischen Optimierungen konnte gezeigt werden, dass die aktiven Strömungskontrolle die Verluste im ICD global reduziert. Dies ist insbesondere hervorzuheben, da bei der Bewertung der Verluste auch der AFC-Massenstrom und damit die Kosten der Aktuierung berücksichtigt werden. Die V-förmige Anordnung der AFC-Auslässe in der ICD-Nabe ermöglicht eine optimale Ausnutzung des begrenzten Bauraums. Durch die vergrößerten Auslässe kann ein höherer Impuls in die Strömung eingebracht und die Ablösung wirksam unterdrückt werden. Dadurch konnten die Druckverluste im ICD um 10 % reduziert werden. Die erfolgreiche experimentelle Validierung auf dem DLR ICD Prüfstand übertraf die Erwartungen aus den numerischen Untersuchungen. Die Ablösungen im Kanal können vollständig unterdrückt werden. Außerdem löst der Hufeisenwirbel der Stützstrebe nicht mehr von der Nabe ab. Zudem konnte mit einem geringeren AFC-Massenstrom eine deutlichere Verbesserung der Strömungstopologie erreicht werden. Dadurch kann die Effizienz der aktiven Strömungskontrolle weiter verbessert werden. Außerdem konnte mit den Messungen an unterschiedlichen Betriebspunkten gezeigt werden, dass ein großer Vorteil der AFC die Regelbarkeit ist. So kann der eingetragene Impuls optimal auf dem Betriebspunkt eingestellt werden. In dem Projekt RDUCT wurde die aktive Strömungskontrolle mittels Pulsed Jet Actuators erfolgreich in den ICD eingebaut und experimentell validiert. Die Messergebnisse zeigen eine signifikante positive Beeinflussung der Strömung auf. Die Ablösungen in der ICD Passage können vollständig unterdrückt werden. Der Einbau der aktiven Strömungskontrolle stellt somit eine vielversprechende Methode zur Realisierung von steileren Verdichterübergangskanälen dar. The RDUCT project is a collaboration between the SME NAVASTO GmbH, the Technical University of Berlin (Department of Aircraft Propulsion), and the Institute of Propulsion Technology (Fan and Compressor Department) of the German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., DLR). The objective of the project is the numerical optimization and experimental validation of active flow control (AFC) using pulsed jet actuators (PJA) in an inter compressor duct (ICD). Within this framework, the DLR is responsible for the numerical optimization of the position and orientation of the active flow control system as well as for the experimental validation under engine-relevant flow conditions. The validation of the numerical setup was carried out using experimental data obtained from the scaled TUB ICD test facility. This allowed the numerical parameters to be adjusted such that the simulations accurately reproduce the flow phenomena in the ICD to a good approximation. This was only possible using a higher-order Reynolds stress turbulence model, which underlines the necessity of the chosen modeling approach. For novel concepts in turbomachinery, experimental reference data in an early project stage are essential to establish reliable numerical simulations. This helps to mitigate the risks associated with experimental validation on full-scale component test rigs. The results of the numerical optimization show that AFC leads to a global reduction of losses in the ICD. This is particularly notable, as the evaluation also accounts for the AFC mass flow rate and thus the cost of actuation. The V-shaped arrangement of the AFC outlets at the ICD hub enables an efficient use of the limited installation space. The increased outlet width allows for a higher momentum injection into the flow, resulting in a strong suppression of flow separation. Consequently, the pressure losses in the ICD were reduced by 10%. The successful experimental validation on the DLR ICD test rig exceeded the expectations derived from the numerical investigations. Flow separation within the duct can be fully suppressed. Furthermore, the horseshoe vortex originating from the strut no longer detaches from the hub. In addition, a significantly improved flow topology was achieved with a lower AFC mass flow rate, further increasing the efficiency of the active flow control system. Measurements at different operating points also demonstrated a key advantage of AFC, namely its controllability. The momentum input can thus be optimally adjusted to the respective operating condition. In the RDUCT project, active flow control based on pulsed jet actuators was successfully integrated into the ICD and experimentally validated. The measurement results show a significant beneficial influence on the flow topology. Flow separation in the ICD passage can be completely suppressed. The integration of active flow control therefore represents a promising approach for enabling steeper inter compressor duct designs.