3D-Turbinengestaltung

Betreuer: Dipl.-Ing. Jens Niewöhner

Zielsetzung

Sekundärströmungen, d.h. jene Strömungsphänomene, die eine unerwünschte Änderung der Aerodynamik verursachen, generieren signifikante Entropieproduktion und damit eine erhebliche Wirkungsgradminderung in Turbinen. Durch geeignete Gestaltungsmaßnahmen können diese Sekundärströmungsverluste signifikant reduziert werden. Das Ziel des Vorhabens liegt in der Bereitstellung eines Know-Hows, auf dessen Grundlage eine Erhöhung des Wirkungsgrades von Turbinen durch Kombination von nicht-rotationssymmetrischen Seitenwandkonturen und dreidimensional gestalteten Beschaufelungen ermöglicht wird. Als Grundlage der Untersuchungen dient dabei 1,5-stufige, subsonische Kaltluftturbine des IST.

Vorgehensweise

Zur Auslegung der optimierten 3D-Gestaltungen der Beschaufelung dient ein automatisiertes Optimierungsverfahren, welches am IST aufgebaut wurde. Dazu wurde das Programm Isight als Optimierungsumgebung mit den Programmen ICEM CFD zur Geometrie- und Gittergenerierung, dem Preprocessor GMC, dem Strömungslöser TRACE und dem Postprocessor Tecplot verwendet.

Durch Kombination verschiedener Gestaltungsansätze wie rotationsasymmetrischer Seitenwandkonturierungen, bow, lokalem restaggering, und lokalen Keilwinkelvariationen können die komplexesten 3D-Gestaltungen ausgelegt und untersucht werden. Auf Grundlage der optimierten Gestaltungen werden die physikalischen Effekte, welche zur Verlustreduktion geführt haben, analysiert und unter zusätzlichem Einsatz statistischer Methoden den Gestaltungsvariationen zugeordnet.

Um die vorhergesagten Effekte der 3D-Gestaltung nachweisen zu können, werden experimentelle Untersuchungen am Kaltluftturbinenprüfstand durchgeführt. Kennfeldmessungen und die Bestimmung des Wirkungsgrades können mit neu entwickelten Sondenrechen am Ein- und Austritt zuverlässig durchgeführt werden. Darüber hinaus kommen stationäre und zeitlich hochauflösende Sondenmessverfahren zum Einsatz, um die Veränderung der Strömung nachzuweisen und zu analysieren. Dabei handelt es sich um eine Fünflochsonde, eine 3D-Hitzdrahtsonde und eine instationäre Totaldrucksonde.

Projektpartner

Dieses Projekt wurde durch die Forschungsvereinigung für Verbrennungskraftmaschinen gefördert unter Beteiligung von

Weitere Informationen

  • T. Pöhler, Y. Guendogdu, P. Jeschke, J. Gier
    „Numerical analysis of three-dimensional turbine airfoil designs”
    In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2011 : June 6 - 10, 2011, Vancouver, Canada, GT2011-46204