Heinke, Wolfram (2002)
Experimentelle Untersuchungen zum Clocking-Effekt an einer stationären Stator-Stator-Anordnung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des experimentellen Teils des AGTurbo-Projektes "Numerische Simulation und experimentelle Untersuchung des Clocking-Effekts". Die Aufgabe bestand darin, ein Versuchskonzept zu erstellen, das den Clocking-Effekt in stationäre und instationäre Effekte aufteilt. Dafür wurde ein entsprechender Prüfstand entwickelt, im Rahmen von Voruntersuchungen optimiert und anschließend erstellt. Die in dieser Arbeit daraufhin durchgeführten Untersuchungen beschränken sich auf den ersten Teil des dreiteiligen Versuchskonzeptes, der Clocking-Untersuchungen an einer stationären Stator-Stator-Anordnung. Hierbei wurde ein erster Stator in der Zuströmung eines zweiten Stators in Umfangsrichtung traversiert. Die Meßergebnisse haben gezeigt, daß der Totaldruckverlust im Stator 2 in Abhängigkeit von der Clockingposition um etwa 11% variiert. Dabei entsteht ein Verlustminimum, wenn die Stator 1-Nachlaufmitte um 6% der Teilung zur Saugseite von Stator 2 versetzt auftrifft. Das Verlustmaximum entsteht, wenn die Stator 1-Nachlaufmitte um 25% der Teilung zur Druckseite von Stator 2 versetzt auftrifft. Die Winkelmessungen hinter Stator 2 zeigen außerdem einen um 0.18° vergrößerten Austrittswinkel im Verlustminimum relativ zum Verlustmaximum. Aus den Turbulenzmessungen hinter Stator 2 ist zu erkennen, daß es im Verlustminimum zu einer Reduktion der mittleren turb. kin. Energie kommt. Die Cp-Verläufe auf der Schaufeloberfläche von Stator 2 zeigen auf der Saugseite eine stabile laminare Ablöseblase als "short bubble", die ihre Größe in Abhängigkeit von der Clockingposition verändert. Die Ausdehnung der Ablöseblase ist im Druckverlustmaximum am größten und wird im Verlustminimum um 30% reduziert. Im Gegensatz zur Saugseite wird die Grenzschicht der Druckseite nur wenig durch die Clockingposition beeinflußt. Dies wird auch von der relativen Wandschubspannung und den bezogenen RMS-Werten aus den Oberflächenheißfilmmessungen bestätigt. Die Intermittenz und die Amplitudenhäufigkeitsverteilung entlang der Schaufeloberfläche haben darüber hinaus gezeigt, daß die Grenzschicht auf der Druckseite und auf dem vorderen Bereich der Saugseite unabhängig von der Clockingposition stets laminar bleibt. Die Transitionsform auf der Saugseite bleibt unverändert, und stromab wurde ein Rückgang der Intermittenz in Abhängigkeit von der Clockingposition beobachtet. Im Verlustminimum zeigten sich die niedrigsten Intermittenzwerte. Die Vorgänge am Stator 2 sind im Druckverlustminimum wie folgt charakterisiert: Verkleinerung der Ablöseblase, Vergrößerter Austrittswinkel, Reduzierte Turbulenzproduktion. Die Verkleinerung der Blasenlänge im Verlustminimum kann mit dem erhöhten Turbulenzeintrag aus dem Stator 1-Nachlauf erklären werden, der sich wie eine Reynoldszahlerhöhung auswirkt. Zudem ist die Vergrößerung des Austrittswinkels auf eine verbesserte Umlenkung zurückzuführen. Das Profil ist im Verlustminimum in der Lage, mehr Umlenkung zu erzielen. Die bisherigen Messungen lassen aber keine direkte Aussage darüber zu, wie es zur Reduktion der Turbulenzproduktion im Verlustminimum kommt. Es wird vermutet, daß durch den zusätzlichen Turbulenzeintrag des Stator 1-Nachlaufes in die saugseitige Grenzschicht von Stator 2 und der daraus resultierenden Blasenverkleinerung insgesamt weniger Turbulenz in der abgelösten Scherschicht der Ablöseblase produziert wird. Dies könnte auch den Rückgang der Intermittenz stromab der Transition erklären.

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