In der vorliegenden Arbeit wird das aerodynamische und aeroelastische Verhalten eines transsonischen Verdichters mit ungleichmäßigem Spitzenspalt experimentell untersucht. Aktuelle Trends in der Triebwerksentwicklung erfordern effizientere Verdichter mit hohem Druckverhältnis und geringerem Gewicht. Ein erhöhtes Gesamtdruckverhältnis ermöglicht es, das Kerntriebwerk bei gleicher Leistung kleiner zu bauen. Dadurch wird die für Lärm und Triebwerkseffizienz entscheidende Stellgröße, das Nebenstromverhältnis, erhöht. Ein kompakteres Kerntriebwerk führt allerdings zu größeren relativen Spaltweitenzwischen Rotor und Gehäuse, da diese nicht entsprechend mitskaliert werden können. Aus dem gleichen Grund spielen auch Gehäuseasymmetrien zukünftig eine größere Rolle.

Ziel der Arbeit ist zum einen eine aerodynamische Analyse, die dem Bereich der Spaltsensitivität und damit der Triebwerksalterung zuzuordnen ist. Zum anderen erfolgt eine Analyse des aeroelastischen Verhaltens, da transsonische Verdichter in Frontstufen des Kerntriebwerks zum Einsatz kommen, die im Teillastbereich zu strömungsinduzierten Schwingungen neigen. Diese Schwingungen können zu Rissen oder sogar einem Versagen der Schaufeln führen. Stabilisierende Maßnahmen, wie etwa Gehäusestrukturen im Bereich der Rotorspitze sind bekannt. Ihr Einfluss auf Schaufelschwingungen, speziell einer ungleichmäßigen Umfangsverteilung, ist allerdings weitgehend unerforscht.

Die Ergebnisse der Arbeit entkräften aerodynamische und mechanische Bedenken beim Einsatz von Axialverdichtern in zukünftig kleineren Kerntriebwerken. Der destabilisierende Einfluss einer Gehäuseexzentrizität ist geringer als bisher vermutet, weshalb vorgesehene Sicherheiten in diesem Zusammenhang potenziell reduziert werden können. Bezüglich strömungsinduzierter Schwingungen, die mit konzentrischem Gehäuse im gesamten Drehzahlbereich auftreten, zeigt diese Dissertation erstmals, dass nichtachsensymmetrische Rotorspitzenspalte einen neuartigen Ansatz im Bereich der aerodynamischen Verstimmung des vorliegenden Schwingungssystems darstellen. Die durch Gehäuseasymmetrie erzeugte Massenstromumverteilung vor dem Verdichter, führt zu einer Umfangsvariation der Rotorinzidenz, die wiederum die aerodynamische Kraft auf die Schaufeln in Umfangsrichtung variiert. Demzufolge stabilisiert sich die Rotor- Relativströmung während einer Umdrehung, was letztlich zu einer Reduktion der Schaufelschwingungen führt.Leichte Asymmetrien im Triebwerk haben somit einen stabilisierenden Einfluss auf Schaufelschwingungen. Im untersuchten Fall, reduziert z.B. ein exzentrischer Rotorspalt die Amplituden nicht-synchroner Schwingungen um -25% der am Prüfstand definierten Betriebsgrenze, verglichen mit einem symmetrischen Gehäuse, welches einen identischen mittleren Laufspalt besitzt. Segmentweise gestaltete Gehäusestrukturen profitieren vom gleichen Effekt und sind daher zukünftig ein wirksames Werkzeug zur Vermeidung nicht-synchroner Schwingungen.

Leichte Asymmetrien im Triebwerk haben somit einen stabilisierenden Einfluss auf Schaufelschwingungen. Im untersuchten Fall, reduziert z.B. ein exzentrischer Rotorspalt die Amplituden nicht-synchroner Schwingungen um -25% der am Prüfstand definierten Betriebsgrenze, verglichen mit einem symmetrischen Gehäuse, welches einen identischen mittleren Laufspalt besitzt. Segmentweise gestaltete Gehäusestrukturen profitieren vom gleichen Effekt und sind daher zukünftig ein wirksames Werkzeug zur Vermeidung nicht-synchroner Schwingungen. Im Gegensatz zu einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Gehäusestrukturierung, die Schwingungsprobleme verstärken kann, sind ungleichmäßige Bauformen eine nun experimentell erprobte Lösung für das Problem nicht-synchroner Schwingungen in Frontstufen im Off-Designbetrieb.