AKTIVER - Aktive Strömungsbeeinflussung in Verdichtungskomponenten künftiger Flugantriebe; Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VI-2

Abstract

Im Rahmen der Programmlinie "Disruptive Technologien und innovative Systeme" untersuchte AKTIVER die Entwicklung eines aktiven Beeinflussungssystems (ABS) an gleich zwei aerodynamisch hochbelasteten Triebwerkskomponenten. Bei der Anwendung im Axialverdichter wurde eine hybride Strömungsbeeinflussungsstrategie numerisch erprobt, indem passive Rezirkulationskanäle mit aktiv geregelter Ausblasung kombiniert wurden. Damit sollten Endwandverluste und eine Verbesserungen der Stufenleistung am 2.5-stufigen FRANCC-Forschungsverdichter adressiert werden. In einer Konzeptbewertung des ABS unter idealisierten Bedingungen wurden kleine Schlitzwinkel und tangentiales Ausblasen unter optimierten Krümmungsradien als Auslegungsrichtlinie identifiziert, wodurch bei Ausblasung an der Druckseite der Vorderleitschaufel Effizienzsteigerungen von bis zu +0.46% im polytropen Wirkungsgrad vorhergesagt wurden. Eine teilintegrierte URANS-Studie, in der eine Rezirkulation zwischen Rotoraustritt und Injektor durch Randbedingungen umgesetzt wurde, ergab eine Reduktion des Totaldruckverlusts um 8% bei Überlagerung des rezirkulierenden Massenstroms mit einem Synthetic-Jet-Aktuator. Hierbei war die Anregung mit der Schaufeldurchgangsfrequenz ohne Phasenverschiebung am effektivsten. Die Einführung eines verlustbehafteten, physischen Rezirkulationskanals führte dazu, dass der rezirkulierende Massenstrom sank, und die Änderung der Belastungseffizienz ηψ bei vernachlässigbaren +0.01% lag. Das niedrige Druckverhältnis des FRANCC-Verdichters beschränkt die Wirkung des ABS, jedoch zeigen die Ergebnisse ein hohes Verbesserungspotential in der Anwendung in Hochgeschwindigkeits-Verdichtern. Untersuchungen zur aktiven Beeinflussung an einem kurz ausgeführten Triebwerkseinlauf bei kritischen Betriebsbedingungen bestanden aus einer numerischen Entwurfsstudie, einer Qualifizierung des ABS-Prototypen und der anschließenden experimentellen Datenerhebung. Die generische achsensymmetrische Referenzgondel wurde als Durchflussgondel konzipiert. Durch gezielte Modifikationen des Einlaufprofils wurde jedoch eine Grenzschichtbelastung erreicht ähnlich wie bei angetriebenen Einläufen unter Startbedingungen. Der finale ABS-Kandidat der numerischen Entwurfsstudie erreichte im Auslegungspunkt des Inzidenzwinkels bei C_(L,max) eine Erhöhung der Druckrückgewinnung um +9.6% und eine um -50.9% reduzierte Totaldruck-Distorsion. Die Qualifizierung des ABS-Prototypen mittels Hitzdraht-Anemometrie ergab eine durch die magnetischen Schnellschaltventile eingebrachte nicht-lineare Kopplung zwischen der Pulsfrequenz und der Ausblasgeschwindigkeit. Im Experiment konnte bei moderaten bis hohen Inzidenzwinkeln sowohl kontinuierliches als auch gepulstes Ausblasen die Ablösung vollständig unterdrücken und die Totaldruck-Distorsion um bis zu -88% reduzieren, wobei der Impulsaufwand bei gepulstem Ausblasen durchschnittlich um -20% geringer war. Bei sehr hohen Inzidenzwinkeln konnte nur noch kontinuierliches Ausblasen bei maximalem Ausblasimpuls die Einlaufablösung wirksam mindern und die Totaldruck-Distorsion um -76% verringern. Das Potential des ABS zur Abmilderung kritischer Betriebsbedingungen wurde am vereinfachten Modell einer Durchflussgondel vorerst bestätigt. Within the framework of the "Disruptive technologies and innovative systems" program line, AKTIVER investigated the development of an active flow control (AFC) system for two highly aerodynamically loaded engine components. For the axial compressor application, a hybrid flow control strategy was numerically investigated by combining passive recirculation with actively controlled blowing. The objective was to reduce endwall losses and improve stage performance in the 2.5-stage FRANCC research compressor. In a conceptual assessment of AFC under idealized conditions, small slot angles and tangential blowing in combination with optimized curvature radii were identified as design guidelines. Applying blowing on the pressure side of the inlet guide vane predicted improvements of up to +0.46% in polytropic efficiency. A partially integrated URANS study, in which recirculation between the rotor exit and the injector was represented by boundary conditions, showed an 8% reduction in total-pressure loss when the recirculated mass flow was superimposed with a synthetic-jet actuator. Excitation at the blade-passing frequency without phase shift proved to be most effective. Introducing a physical recirculation channel with associated losses reduced the recirculating mass flow, resulting in a negligible change in loading efficiency of only +0.01%. The low pressure ratio of the FRANCC limits the recirculating mass flow and, hence, the effectiveness of AFC; nevertheless, the results indicate substantial potential for performance improvements when applied to high-speed compressors. Investigations of active flow control in a short engine inlet under critical operating conditions comprised a numerical design study, qualification of the AFC prototype, and subsequent experimental data acquisition. The generic axisymmetric reference nacelle was designed as a flow-through nacelle. However, targeted modifications to the inlet contour produced boundary-layer loadings similar to that in powered inlets under take-off conditions. At the design-point incidence angle, the final AFC candidate identified in the numerical design study achieved an increase in pressure recovery of +9.6% and a reduction in total-pressure distortion of 50.9%. Qualification of the AFC prototype using hot-wire anemometry revealed a nonlinear coupling between pulse frequency and blowing velocity introduced by the fast-switching solenoid valves. In the experiments, both continuous and pulsed blowing were able to fully suppress flow separation at moderate to high incidence angles and reduce total-pressure distortion by up to 88%, while the momentum required for pulsed blowing was, on average, 20% lower. At very high incidence angles, only continuous blowing at the maximum momentum input was capable of effectively mitigating inlet separation, reducing total-pressure distortion by 76%. The potential of the AFC to alleviate critical operating conditions was thus demonstrated using the simplified model of a flow-through nacelle.