Numerische und experimentelle Untersuchung zur Verbesserung des Verlustverhaltens auf Grund des Radialspaltes in Turbinen durch geeignete geometrische Gestaltung

Betreuer: Dipl.-Ing. R. Große-Laxzen

In Flugtriebwerken unterliegt der Spalt zwischen rotierenden Schaufeln und dem Gehäuse auf Grund von Wärmedehnung, Fliehkraft- und Druckbelastung ständigen Veränderungen. Der Forderung von möglichst kleinen Spalten zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades steht die Betriebssicherheit gegenüber. Das Anstreifen des Laufzeuges ist unter allen Umständen zu vermeiden. Durch den Flugbetrieb bedingte kurzfristige große Lastwechsel und damit einher gehende Änderungen der Umfangsgeschwindigkeit sowie der Temperatur erfordern im Gegensatz zu Industriegasturbinen größere Spaltweiten.

Die Veränderung der Spaltweite im Betrieb ist somit hinzunehmen.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, daß die spaltbedingten Verluste je Prozent relativer Spalthöhe um knapp zwei Prozent steigen. Das Verlustverhalten war dabei unabhängig von der Turbine und der Spaltgeometrie.

iel dieses Projektes ist es, die Verlustmechanismen im Radialspalt zu identifizieren und durch geeignete geometrische Gestaltung der Schaufelspitze wie auch ggf. der Gehäusekontur die Verlustzunahme bei größer werdenden Spalten zu senken.

Aus den Veröffentlichungen zu diesem Thema sind folgende Spaltgeometrien bekannt.

Spaltgeometrien

Die Bewertung der Wirkungsweise hängt vom jeweiligen Autor ab, die Struktur der Spaltströmung und die Verlustmechanismen galten als nicht ausreichend Verstanden.

Mittlerweile ist es gelungen, aus den beobachteten und beschriebenen Strömungsvorgängen im Spalt eine klarere Vorstellungen zu den Wechselwirkungen der Spaltströmung und dem daraus resultierenden Spaltwirbel mit der Profil- und Gehäusegrenzschicht sowie dem Kanalwirbel abzuleiten.

Struktur der Sekundärströmung im Gehäusebereich von Turbinen ohne Deckband
Struktur der Sekundärströmung im Gehäusebereich von Turbinen ohne Deckband

Hieraus ergeben sich nun mögliche Veränderungen der Spalt- und Gehäusegeometrie.

Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Modifikationen ist zunächst für verschieden Spaltweiten durch eine numerische Simulation nachzuweisen; die vielversprechendsten Geometrien sollen dann in der 1,5-stufigen Kaltluft-turbine des Institutes vermessen werden.