3D-Hitzdrahtmessungen zur Strömungsanalyse in einem mehrstufigen Niedergeschwindigkeitsturbinen-Rig

Betreuer: Dr.-Ing. U. Reinmöller

Bei der Auslegung von Turbinenbeschaufelungen werden in zunehmendem Maße Ergebnisse moderner Strömungsrechenverfahren, wie z.B. Through-Flow-Verfahren sowie 2D- und 3D-Rechenverfahren für reibungsfreie und reibungsbehaftete Strömungen zugrunde gelegt. Die zunehmenden Fortschritte auf dem Gebiet der Turbinenperformance erfordern detaillierte Beschreibungen der unterschiedlichen Strömungseffekte, wie z.B. des Wärmeübergangs, der radialen Mischung sowie der Sekundärströmungen. Die Untersuchung von Sekundärströmungseffekten in Axialturbinen gewinnt daher zunehmend an Bedeutung, da sie mit hohen Verlusten und Änderungen der Strömungswinkel in der Beschaufelung verbunden sind. Besonders im Rotor bilden sich aufgrund der hohen Umlenkung starke Sekundärströmungen aus.

In mehrstufigen Turbinen ist die gegenseitige Beeinflussung der Schaufelreihen aufgrund von Laufrad-Leitrad-Wechselwirkungen und die daraus resultierende Erhöhung der Turbulenzgrade dominant. Die auftretenden Strömungseffekte in den einzelnen Gittern ist dabei sehr komplex. Mit höherer Schaufelbelastung steigt die Dreidimensionalität der Strömung in den hinteren Stufen an, so daß zunehmende Abweichungen von der Auslegungsrechnung auftreten können. Die Strömungsführung innerhalb der gesamten Turbine hat ebenfalls einen entscheidenen Einfluß auf diese Effekte. Deshalb steht die Verminderung der Sekundärströmungseffekte und Verluste durch geringere Beeinflussung der Kernströmung in Zusammenhang mit einer gleichmäßigeren Zuströmung der Folgebeschaufelung im Vordergrund bei der Auslegung moderner Turbinen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die experimentelle Untersuchung der dreidimensionalen instationären Strömung in den Axialspalten einer mehrstufigen Niedergeschwindigkeits-Turbine. Hierbei soll die CTA-Hitzdrahtmeßtechnik angewendet werden um Aufschlüsse über das instationäre Sekundärströmungsverhalten in ausgewählten Gitterreihen bei montierter Basisbeschaufelung und bei modifizierter (3D-konturierter) Beschaufelung zu erhalten.

Für diese Meßaufgabe wurden am Institut neue 3D-Hitzdrahtsonden entwickelt, die an den Strömungskanal angepaßt sind. Die nebenstehende Abbildung zeigt stark vergrößert den Sondenkopf einschließlich der drei Hitzdrähte des Prototyps.

Die Analyse der Ergebnisse soll detaillierte Aufschlüsse über das Sekundärströmungsverhalten in den einzelnen Gitterreihen einer mehrstufigen Turbine liefern. Darüber hinaus soll untersucht werden, wie durch geeignete Konturierung der Seitenwände die Sekundärströmungen beeinflußt, und damit die Verluste verringert werden können. Ergebnisgrößen sind u.a. der instationäre 3D-Strömungsvektor, die Turbulenz und die Reynolds´sche Schubspannung.

Dieses Forschungsprogramm ist eingebunden in einen Verbund bestehend aus mehreren Forschungsstellen. Das Institut für Luftfahrtantriebe ILA der Universität Stuttgart ist in enger Zusammenarbeit mit der MTU München (theoretische Vorarbeiten zur Auslegung einer 3D-optimierten Turbinenbeschaufelung) verantwortlich für die Konstruktion, Aufbau und Betrieb des Versuchsträgers. Ebenfalls werden grundlegende Messungen zur stationären Vermessung der Strömung durch das ILA durchgeführt. Zur Erfassung der instationären Strömungsphänomene werden zwei verschiedene Meßtechniken eingesetzt. Die oben aufgeführte Hitzdrahtanemometrie des IST und der vom DLR Köln neu entwickelte 3D-L2F-Sondenlaser.

Aufbau des Niedergeschwindigkeits-Turbinen-Rig mit Messebenen
Aufbau des Niedergeschwindigkeits-Turbinen-Rig mit Messebenen