In modernen Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken muss das Eintreten von heißen Gasen durch den nabenseitigen Spalt zwischen Rotorschaufeln und Statorschaufeln vermieden werden. Andernfalls kann es zu einer thermischen Überlastung der hochbelasteten Rotorscheiben kommen. Aus diesem Grund wird am Verdichter entnommene Luft durch diesen unvermeidbaren Spalt geblasen, um ihn gegenüber den heißen Gase abzusperren.

Diese sogenannte Sperrluft hat in der Regel nachteilige Effekte. Zum einen nimmt sie nicht vollständig am Kreisprozess teil. Zum anderen verändert sie die Aerodynamik der Turbine und führt in den meisten Fällen zu erhöhten Strömungsverlusten. Um diese Verluste zu reduzieren und den benötigten Sperrluftmassenstrom zu verringern, ist ein umfassendes Verständnis über die Interaktion zwischen Hauptstrom und Sperrluftstrom unvermeidbar. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren zahlreiche Forschungsprojekte zu diesem Thema durchgeführt. Während sich der Großteil dieser Untersuchungen auf die Sperrluftausblasung stromauf der Rotorreihe einer Hochdruckturbine konzentriert, wird in der vorliegenden Arbeit die Sperrluftausblasung stromauf der Statorreihe einer Niederdruckturbine experimentell untersucht. Dies erweitert zum einen das generelle Verständnis über die Sperrluft - Hauptstrom Interaktion. Zum anderen können die Effekte stromauf einer Statorreihe mit denen stromauf einer Rotorreihe verglichen werden.

Zu diesem Zweck wurden im Rahmen des EU Projektes MAGPI zahlreiche Versuche am „Large Scale Turbine Rig” (LSTR) der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Dieser Prüfstand ist mit unterschiedlicher Messtechnik, wie statischen Druckmessstellen, Fünflochsonden, einem PIV System und einem Tracergas Messsystem ausgestattet. Dabei erlaubt besonders die Kombination dieser verschiedenen Messtechniken, die Sperrluft - Hauptstrom Interaktion im Detail zu untersuchen.

Die durchgeführten Messungen zeigen einen deutlichen Einfluss der Sperrluft auf die Turbinen- und die Radseitenraumströmung auf. Mit steigendem Sperrluftmassenstrom kommt es zu einer ausgeprägten Fehlanströmung der Statorschaufeln. Hierdurch wird die Querströmung in der Passage und damit die Ausbildung von Sekundärströmungen angefacht. Zusätzlich zu dieser Verstärkung der Sekundärströmungen, welche in ähnlicher Weise auch bei der Sperrluftausblasung stromauf einer Rotorreihe auftritt, wurde ein deutlicher Einfluss durch die spezielle Art der Sperrluftzuführung festgestellt. So wird die Sperrluft in Niederdruckturbinen oft durch einzelne Bohrungen in der Rotortrommel zugeführt. Bei einem genügend hohen Druckverhältnis über diese Bohrungen tritt die Sperrluft in Form von diskreten Strahlen in den Radseitenraum ein. Diese sogenannten „Drive Arm Hole Jet” beeinflussen in der aktuellen Konfiguration die Strömung in der Radseitenraumdichtung. So bildet sich durch die Drive Arm Hole Jets ein diskreter Wirbel aus, der die Sperrluft in Umfangsrichtung durch die Radseitenraumdichtung transportiert und das generelle Strömungsfeld in dieser verändert. Des Weiteren begünstigen die Drive Arm Hole Jets den Heisgaseintritt. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Art und Weise der Sperrlufteinbringung einen deutlichen Einfluss auf die Auswirkung der Sperrluft hat. Zusätzlich bieten die Ergebnisse der Strömungsfeldvermessungen einen detaillierten Einblick in die Sperrluft - Hauptstrom Interaktion.

Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse wurden schließlich zwei Vorschläge erarbeitet, die das Ziel verfolgen, Verluste durch die Sperrluft zu reduzieren und damit den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen.