Axialturbine
Die 1,5-stufige Kaltluftturbine dient seit langem als Grundlage für experimentelle Nachweise im Rahmen verschiedenster Forschungsvorhaben. Die an diesem Prüfstand gewonnenen Erkenntnisse leisten einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Effizienz in industriellen Strömungsmaschinen. Der modulare Aufbau ermöglicht es dabei, eine neue Beschaufelung oder neue Messtechniken ohne große Umbaumaßnahmen zu untersuchen.
Technische Daten
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Leistung: 165 kW
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Drehzahl: 3500 U/min
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Totaldruckverhältnis: 1.29
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Eintrittstotaltemperatur: 56 °C
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Massenfluss: 8.1 kg/s
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Reynoldszahl bis zu 810.000
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3 Totaldruck- & Totaltemperatur-Rechen in der Ein- und Auslassebene
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Je 3 Messebenen hinter Stator 1 & 2 und Rotor zur Traversierung der Strömung mit verschiedenen Sonden
Aufbau
Die 1,5-stufige Turbine besteht aus zwei Leiträdern und dem mittig positionierten Laufrad. Zur Bestimmung des Wirkungsgrades werden die Totaltemperatur und der Totaldruck vor dem ersten Leitrad und hinter dem zweiten Leitrad gemessen.
Die Totaltemperaturen und Totaldrücke vor dem ersten Leitrad werden über vier stehende Rechen ermittelt. Am Austritt befinden sich 3 Rechen auf einem Ring, welcher um 120° rotiert werden kann. Dies ermöglicht die Messung eines zweidimensionalen Strömungsfeldes über den gesamten Umfang.
Die Axialturbine wird in einem halboffenen Kreislauf betrieben und mit zwei parallelgeschalteten Radialverdichtern der Firma GHH versorgt. Die Luft wird nach den Verdichtern auf die gewünschte Betriebstemperatur heruntergekühlt, um die gewünschten Betriebspunkte einzustellen. Der Eintritts- und Austrittsdruck wird kontinuierlich über eine Druckregelung eingestellt und die Drehzahl wird über eine Wirbelstrombremse geregelt. Diese Regelung stellt sicher, dass über einen Fahrtag auch bei sich ändernden Umgebungsbedingungen ein konstanter Betriebspunkt gehalten werden kann.
Die umfassende Messtechnik erlaubt sowohl die hochgenaue Bestimmung globaler Maschinenkennzahlen als auch die detaillierte Vermessung der Strömung innerhalb der Turbine. Zur Sicherheit ist der Versuchsaufbau von einem Berstschutz umgeben, der auf ein Brechen der Rotorscheibe bei 7.500 U/min ausgelegt wurde.
Forschungszwecke
Optimierung von Endwandkonturierungen
Mittels numerischer Optimierungsalgorithmen wurde die Form der Endwände an Nabe und Gehäuse des ersten Stators und des Rotors optimiert, um eine Effizienzsteigerung durch Homogenisierung der Statorabströmung und Abschwächung der Sekundärströmungen zu erreichen. Die experimentelle Validierung dieser nicht-axialsymmetrischen Konfigurationen wurde an der Axialturbine durchgeführt.
Aerodynamische Robustheit von optimierten Endwandkonturen gegenüber Sperrlufteinblasung
Mittels eines zusätzlich integrierten Sekundärluftsystems kann Sperrluft durch die Kavität zwischen Rotor und Stator in die Hauptströmung injiziert werden. Die Auswirkungen dieser Sperrluft auf die Wirkungsweise optimierter Endwandkonturen sind Gegenstand laufender experimenteller und numerischer Untersuchungen.
Turbulenzentwicklung in Turbinenstufen
Viele gängige numerische Turbulenzmodelle basieren auf der Annahme einer isotropen Turbulenz, welche sich jedoch für komplexe Strömungen nicht immer valide ist. Mit Hilfe von hochgenauen Hitzdrahtsonden können turbulente Strömungsgrößen in der Turbine detailliert vermessen werden. Diese Daten dienen anschließend zur Verbesserung und Validierung der numerischen Turbulenzmodelle.