Ringgitterwindkanal

 
Seitenansicht des Ringgitterwindkanals Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Der Ringgitterwindkanal wurde in den 1970er Jahren am IST aufgebaut. Ursprünglich mit einem Rotor ausgestattet, wurde der Kanal in den letzten Forschungsvorhaben vorrangig zur grundlegenden Untersuchung von Statorgittern genutzt. Dabei kann die angetriebene Nabe dazu verwendet werden, einen Nachlaufdellenerzeuger anzutreiben und somit instationäre Zuströmungsbedingungen für das untersuchte Gitter zu erzeugen. Durch die Versorgung mittels des institutseigenen Verdichters ist es möglich, die Strömung sowohl in Verdichter- als auch Turbinengittern zu analysieren. Dabei kann der Kanal im offenen, teiloffenen sowie im geschlossenen Betrieb gefahren werden. Mittels zwei Schiebern wird dabei der Betriebspunkt eingestellt, sodass Machzahl und Reynoldszahl beziehungsweise Durchsatz und Druck unabhängig voneinander einstellbar sind. Mithilfe des eingebauten Drallerzeuger-Gitters kann die Zuströmrichtung zum Messgitter eingestellt werden, sodass das Strömungsverhalten unter verschiedenen Anströmwinkeln untersucht werden kann. Aufgrund des ringförmigen Aufbaus und die dadurch ermöglichte Wiedergabe der Strömung in realitätsgetreuer Geometrie ist es am Ringgitterwindkanal möglich, den Übergang vom ebenen Gitterwindkanal zu den rotierenden Großprüfständen herzustellen. Vor allem die Einflüsse des radialen Druckgradienten und der gekrümmten Seitenwände, welche im ebenen Gitterwindkanal nicht berücksichtigt werden können, kommen in diesem Prüfstand zur Geltung.

 

Messtrecke

Zur Beruhigung der Strömung vor Eintritt in den Ringquerschnitt befindet sich stromauf der Messstrecke eine Ausgleichskammer. Nach Übergang auf den Ringquerschnitt und Umströmung der vier Streben, welche den vorderen Teil der Nabe halten, wird die Strömung durch ein Wabengitter und ein turbulenzerzeugendes Sieb homogenisiert. Die Ausrichtung der Strömung in Umfangsrichtung erfolgt daraufhin im Drallerzeuger-Gitter. Dieses besteht aus 48 Schaufeln, die elektrisch und stufenlos im Staffelungswinkel einstellbar sind, sodass auch eine Verstellung im laufenden Betrieb möglich ist. Stromab des Drallerzeuger-Gitters ermöglicht ein modularer Aufbau der Naben- und Gehäusesegmente eine Anpassung der Ringraumgeometrie an das jeweilige Forschungsvorhaben. Das nun folgende Messgitter ist um 360 Grad drehbar, sodass bei Einbau der Messgitterschaufeln in einem Regenbogensatz direkt mehrere Geometrievarianten gleichzeitig in einem Aufbau vermessen werden können. Auch eine Verstellung des Messgitters in axialer Richtung ist möglich, sodass beispielsweise eine Variation des Axialspalts durchgeführt werden kann. Stromauf und stromab des Messgitters ist jeweils eine Traversiereinheit im Gehäuse eingebaut, mithilfe derer Sonden in die Strömung eingebracht werden können. Des Weiteren ist die Zugänglichkeit für optische Messungen durch mehrere ins Gehäuse eingebrachte Plexiglasfenster vor und hinter dem Messgitter gewährleistet. Der hintere Teil der Nabe wird wiederum an vier am Ende der Messstrecke angebrachten Streben gehalten.

 

Instrumentierung

Am Ringgitterwindkanal werden aktuell folgende Messtechniken eingesetzt:

Stationäre Messtechnik:

  • Seitenwanddruckbohrungen in Nabe und Gehäuse sowie aktuell in der Kavität
  • Profildruckbohrungen auf Druck- und Saugseite
  • Zweidimensional traversierbare Fünf- und Dreilochsonden stromauf und stromab des Messgitters

Instationäre Messtechnik:

  • Zweidimensional traversierbare Tripelhitzdrahtsonden stromauf und stromab des Messgitters
  • Particle Image Velocimetry in der Schaufelpassage und aktuell in der Kavität

Strömungssichtbarmachung:

  • Ölanstr­ichvisualisierung auf der Schaufel, den Seitenwänden und aktuell in der Kavität
 

Forschungsschwerpunkte

Zu den aktuellen Forschungsvorhaben am Ringgitterwindkanal gehören:

  • Untersuchung der Strömung in der Penny-Kavität von Verstellleitreihen
  • Vergleich von verschiedenen Geometrien der Penny-Kavität
  • Modellierung der Penny-Kavität in CFD-Simulationen
  • Turbulenz- und Transitionsverhalten im Hochdruckverdichter

Frühere Forschungsschwerpunkte:

  • Interaktion zwischen Lauf- und Leitrad
  • Dreidimensionale Schaufelgestaltung
  • Axialspaltvariation
 

Relevante Referenzen

  1. D. Pohl, J. Janssen, P. Jeschke, A. Halcoussis, H. Wolf. "Variable Stator Vane Penny Gap Aerodynamic Measurements and Numerical Analysis in an Annular Cascade Wind Tunnel." Proceedings of the International Gas Turbine Congress, 17.-22. November 2019, Tokio, Japan.
  2. S. Stummann, D. Pohl, P. Jeschke, H. Wolf, A. Halcoussis, M. Franke. "Secondary Flow in Variable Stator Vanes With Penny-Cavities." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2A: Turbomachinery. Charlotte, North Carolina, USA. 26.–30. Juni 2017.
  3. H. Wolf, A. Halcoussis. "Numerical Study of the Penny Cavity Leakage Effects From Variable Guide Vanes in a High Pressure Compressor: Adjustment of Standard-RANS-CFD-Model to a Hybrid LES Calculation." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2019: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2A: Turbomachinery
  4. Janssen, J., Pohl, D., Jeschke, P., Halcoussis, A., Hain, R., and Fuchs, T. (September 29, 2021). "Effect of an Axially Tilted Variable Stator Vane Platform on Penny Cavity and Main Flow." ASME. J. Turbomach. February 2022; 144(2): 021010.