König, Sven (2006)
Untersuchung des Einflusses überlagerter Stator- und Rotornachläufe auf den Clocking-Effekt an einer 1.5-stufigen axialen Gasturbine.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Einsatz von Clocking - der Relativpositionierung benachbarter Schaufelreihen in mehrstufigen axialen Turbomaschinen - stellt sowohl für Triebwerke als auch für stationäre Gasturbinen ein Potenzial zur Steigerung der bereits sehr hohen aerodynamischen Güte dieser Aggregate dar. Die vorliegende Arbeit liefert einen grundlegenden Beitrag zum besseren Verständnis der den Clocking-Effekt bestimmenden komplexen physikalischen Wirkmechanismen. Dazu wurde eine detaillierte experimentelle Studie zweier Versuchsaufbauten - einer 1.5-stufigen Turbine und einer Speichenradanordnung - anhand verschiedener Messverfahren durchgeführt. Die für die Untersuchungen gewählte Stator 2-Beschaufelung wurde im Hause MTU Aero Engines als modernes Hochauftriebsprofil mit einer für Niederdruckturbinen in Flugtriebwerken typischen Reynoldszahl ausgelegt. Eine wesentliche Charakteristik einer solchen Beschaufelung ist eine auf der Saugseite auftretende transitionale Ablöseblase. Zur Analyse der Interaktionsmechanismen der auftretenden überlagerten Stator- und Rotornachläufe wurden instationär messende Kreuzdrahtsonden sowie entlang der Schaufel des zweiten Stators angebrachte Oberflächenheißfilme verwendet. Darüber hinaus konnten durch den Einsatz pneumatischer Sonden Aussagen über die korrespondierenden im zeitlichen Mittel auftretenden Drücke und Profilverluste gewonnen werden. Neben einem Einblick in die physikalischen Zusammenhänge liefern die gewonnenen experimentellen Ergebnisse eine breite Datenbasis zur Validierung numerischer Berechnungsverfahren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten erstmalig einige der wesentlichen den Clocking-Effekt bestimmenden physikalischen Effekte separiert werden. Der dominierende Verlustmechanismus ist dabei die in Abhängigkeit der Clocking-Position variierende periodische Instationarität stromab des zweiten Stators der geclockten Anordnung. Weitere Verlustquellen sind die sich mit der Clocking-Position verändernde Länge der Ablöseblase und eine veränderte Turbulenzproduktion. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass sowohl der Stator 2-Zuströmwinkel als auch die Umlenkung des zweiten Stators in Abhängigkeit der Clocking-Position variieren. Beide Effekte führen zu einer Veränderung des Arbeitsumsatzes und somit des Wirkungsgrades sowohl der bezüglich des Profilverlustes optimierten, als auch der stromauf davon liegenden Stufe. Anhand eines detaillierten Vergleiches der 1.5-stufigen Versuchsturbine mit einer Speichenradanordnung konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass ein vereinfachter Speichenrotor zwar zur Separierung physikalischer Effekte sinnvoll ist, sich aber nicht eignet um die beim Clocking auftretenden Phänomene in ihrer Ganzheit zu untersuchen. Durch eine Verringerung der Rotordrehzahl zeigte sich darüber hinaus, dass in diesem Fall die durch starke Fehlanströmung erhöhte Turbulenzproduktion stromauf des zweiten Stators zu einer deutlichen Reduzierung der Größe der Ablöseblase führt und der Einfluss der Clocking-Position auf das Verhalten der Ablöseblase dadurch verringert wird.

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