Erhöhung des Wirkungsgrades von Turbinenstufen durch Realisierung nicht rotationssymmetrischer Seitenwandkonturen in den Statorbeschaufelungen

Betreuer: Dipl.-Ing. Thorsten Pöhler

Motivation

Seitenwandkonturierte Turbinenleitschaufel
Seitenwandkonturierte Turbinenleitschaufel

Die Forderung nach höheren Leistungsdichten und reduzierten Schaufelzahlen in modernen Axialturbinen führt zu immer höheren Gitter- und Schaufelbelastungen. Diese haben eine wesentliche Steigerung bestimmter drei-dimensionaler Strömungseffekte – den so genannten Sekundärströmungen – zur Folge. Diese Sekundärströmungen haben einen nicht unerheblichen Anteil am Gesamtverlust der der Turbomaschine. Die Reduktion der Sekundärströmungsverluste kann durch eine geeignete Gestaltung der Turbinenschaufeln und der Seitenwände (Nabe und Gehäuse) positiv beeinflusst werden. Während durch die Entwicklung aerodynamisch günstiger Profile und Auffädelungslinien die dreidimensionale Schaufelgestaltung sehr weit fortgeschritten ist, steckt die Modellierung der Seitenwände noch eher in den Anfängen. Ziel des Projektes war die Erforschung der Sekundärströmungsverhältnisse unter Beeinflussung nicht-rotationssymmetrisch konturierter Seitenwände.

Umsetzung

Unter Einsatz moderner numerischer Verfahren wurde ein automatisierter Optimierungsprozess aufgebaut, welcher zum einen die Sensitivität der Strömung auf Änderungen der Seitenwandgeometrie zeigt, und zum anderen den Weg zur optimalen Kontur systematisch verfolg. Als Zielgröße des Prozesses diente die secondary kinetic energy, gewichtet durch die Helizität. Diese Größe repräsentiert näherungsweise die stromabwärts der Auswerteebene zu erwartenden Verluste. Im Anschluss an die numerische Auslegung wurden die Ergebnisse unter Anderem durch Einsatz zeitlich hochauflösende Messtechnik verifiziert.

Ergebnisse

Das Forschungsvorhaben hat gezeigt, dass Sekundärströmungen durch geeignete Seitenwandkonturierungen hinsichtlich eines steigenden Wirkungsgrades beeinflussbar sind. Durch detaillierte numerische Untersuchungen konnten wesentliche Aspekte der Wirkungsweise der Seitenwandkonturierung aus den Ergebnissen extrahiert und analysiert werden. Dabei wurden auch die Grenzen des Designs erkannt und aufgezeigt. Gleichzeitig wurde das daraus gewachsene physikalische Verständnis dazu genutzt, die zum Teil noch unverstandene Phänomenologie der Verlustentstehung im Schaufelkanal unter neuen Aspekten zu beleuchten.

Projektpartner

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

Publikationen

  • Pöhler, Thorsten; Gier, Jochen; Jeschke, Peter:
    Numerical and Experimental Analysis of the Effects of Non-Axisymmetric Contoured Stator Endwalls in an Axial Turbine; ASME Turbo EXPO 2010 (Glasgow, Scotland); GT2010-23350
  • Abschlussbericht 3D-Turbinenstufe II; FVV; Heft 899-2010