Aktive Beeinflussung der laminaren Ablösung in periodisch instationären Strömungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem vorliegenden Forschungsprojekt wurden grundlegende Untersuchungen zur Wirkungsgradsteigerung von Niederdruckturbinenbeschaufelungen mit Hilfe von Strömungsbeeinflussung durchgeführt. Unter dem Einfluss eines Druckgradienten wurde der Transitionsprozess einer laminar abgelösten Strömung mit dem Einsatz pneumatisch betriebener Wirbelgeneratoren (VGJs) beschrieben und detailliert untersucht. Zudem wurde eine Variation der Position der VGJs und deren Ausblasgeschwindigkeit, der Hauptströmungsgeschwindigkeiten in Form der Reynoldszahl sowie periodisch instationäre Geschwindigkeitsschwankungen mit verschiedenen Strouhalzahlen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen zusammenfassend, dass der Einsatz kontinuierlicher VGJs eine effektive Methode darstellt, die laminare Ablösung aktiv positiv zu beeinflussen. Die Profilverluste konnten minimiert werden. Bereits kurz hinter der Einblasposition treten impulsreiche Regionen in der Grenzschicht sowie außerhalb der Grenzschicht aufgrund des Masseneintrags durch die VGJs auf, wodurch die Grenzschicht reenergetisiert wird. Die entstandenen Wirbel verursachen einen Austausch von Fluid zwischen der Hauptströmung und der Grenzschicht, wodurch die Ablöseblase in Länge sowie Höhe deutlich verkleinert wird. Die Strömung legt aufgrund des durch die Wirbelstrukturen verursachten erhöhten Turbulenzlevels früher wieder an. Infolge dessen ist die mit der Transition verbundene Aufdickung der Grenzschicht im Vergleich zur Grundströmung reduziert. Dieses Verhalten führt insgesamt zu einer geringeren Verlustbehaftung der Grenzschicht und somit zu einem höheren Druckrückgewinn. Die optimale Wirkung der Beeinflussung tritt bei einer Positionierung der VGJs unmittelbar vor der Saugspitze der Profildruckverteilung auf. Der negative Druckgradient wirkt auf die Ausbreitung der longitudinalen Strukturen. Mit darauffolgendem positiven Druckgradienten und einem optimalen Massenstrom für eine stationäre Ausblasung können die Strömungsverluste aufgrund der aufdickenden Grenzschicht reduziert werden. Bei einer kontinuierlichen Ausblasrate von B = 2 wurde die höchste Effektivität der VGJs verzeichnet. Die Wirksamkeit der aktiven Beeinflussung wurde für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten in einem Reynoldszahlbereich von Re∞ = 80.000 − 300.000 untersucht. Eine steigende Reynoldszahl führte im Vergleich zur Grundströmung aufgrund der verkleinerten Ablöseblase zu einer Verringerung der Wirkung der VGJs. Die Untersuchungen liefern unter periodischen instationären Geschwindigkeitsschwankungen mit Strouhalzahlen von Sr∞ = 0, 5 − 2, 0 und einer festen Ausblasrate ebenfalls eine Reduzierung der Größe der Ablöseblase. Bei periodisch instationärer Strömung schwankt die Ablöseblase ohne Aktuierung stromauf- und abwärts, sowie in Höhe und Lage. Das Einbringen des Impulses durch die VGJs verlagert den Transitionspunkt stromauf. Der Ablösepunkt schwankt im Vergleich zur unbeeinflussten Strömung deutlich weniger. Effektiv ist die Strömung im Gegensatz zum unbeeinflussten Fall für die gesamte Periode der Schwankung vor der Profilhinterkante wieder angelegt. Insgesamt führt der Einsatz der VGJs sowohl für stationäre sowie instationäre Strömungsbedingungen zu einer Effizienzgradsteigerung der Niederdruckturbinenbeschaufelung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Aktive Beeinflussung der laminaren Ablösung mithilfe pneumatischer Wirbelgeneratoren. Dissertation, 2013
J. Dähnert
- Forcing Of Separation Bubbles By Main Flow Unsteadiness Or Pulsed Vortex Generating Jets - A Comparison. ASME GT2013-94575, 2013
C. Lyko, D. Peitsch, and J. Dähnert
- Transition Mechanisms in Laminar Separated Flow Under Simulated Low Pressure Turbine Aerofoil Conditions. Journal of Turbomachinery, 135(1), October 2013
J. Dähnert, C. Lyko, and D. Peitsch
