Einfluss periodischer Nachläufe auf die wandnahe instationäre Strömung in Axialturbinen-Ringgittern

• Antragsteller: Dr.-Ing. David Engelmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 364918021

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Turbomaschinen zur Steigerung von Druckverhältnissen, Reduzierung der Schaufelzahl, sinkendem Schaufelhöhenverhältnis, vermehrter Teillastbeanspruchung, etc., führen zu einem immer stärkeren Einfluss der Strömung im Seitenwandbereich auf die Maschine insgesamt. Vor allem Betriebsverhalten, Verluste und Wärmeübergang werden von diesem Strömungsbereich wesentlich beeinflusst. Die dabei auftretenden Mechanismen sind jedoch trotz langjähriger Forschung immer noch nicht voll verstanden, so dass durch den aktuellen technischen Fortschritt starker Bedarf an entsprechenden Grundlagenuntersuchungen besteht. Dieses Defizit wird durch einen gemeinsamen Paketantrag von vier Arbeitsgruppen an TU Dresden, UniBw München und RU Bochum adressiert, bei dem sorgfältig abgestimmte Simulationen und Experimente eingesetzt werden, um entsprechende Erkenntnisse zu gewinnen. Neben der Untersuchung des Wärmeübergangs und der Weiterentwicklung methodischer Werkzeuge besteht eine wesentliche Zielrichtung des Pakets in der detaillierten Analyse der Effekte, die durch die Systemrotation hervorgerufen werden. Hierzu werden speziell konzipierte und aufeinander abgestimmte Konfigurationen untersucht und miteinander verglichen.Innerhalb des Teilvorhabens 4 am Lehrstuhl für Thermische Turbomaschinen der Ruhr-Universität Bochum soll mittels umfangreicher experimenteller Untersuchungen in axialen Turbinenringgittern die Wechselwirkung zwischen Grenzschichtströmung in Seitenwandnähe und ausgewählten instationären Phänomenen beurteilt werden. Es sind insbesondere die im Ringgitter auftretenden Effekte zu betrachten, welche in linearen Kaskaden nicht abbildbar sind. Hierzu zählen die Auffächerung des Schaufelgitters oder die gekrümmten bzw. rotierenden Seitenwände sowie die verwundenen Einlauf-Grenzschichten. Unter Zuhilfenahme instationärer sowie bildgebender Messtechniken ist zu klären, in welchem Maße sich die festgestellten Mechanismen auf Transitions- und Ablöseverhalten im Seitenwandbereich auswirken, um in dieser Thematik die dringende Validierung der numerischen Modelle zu unterstützen. In zwei daran anknüpfenden Aufbauten soll geprüft werden, inwiefern ein zusätzlich induzierter Radialspaltwirbel die zuvor identifizierten Wechselwirkungen beeinflusst. Durch Vermessung der Konfiguration sowohl mit stehender als auch mit rotierender passagenseitigen Nabenkontur lassen sich die entgegengesetzten Einflüsse von druckgetriebener Schaufelspitzenüberströmung und der relativ-bewegten Passagenwand separieren. Des Weiteren ist die Übertragbarkeit der Erkenntnisse hinsichtlich Spaltströmungen im Schaufelspitzenbereich von Verdichtergittern (TV1, TV2) auf das Turbinengitter (TV4) zu bewerten. Um den Einfluss stromauf produzierter Schaufel-Nachläufe zu integrieren, erzeugt ein rotierendes Stabgitter eine definiert periodisch gestörte Stator-Zuströmung. Ergänzt werden die experimentellen Daten durch zusätzliche begleitende (U)RANS-Simulationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Werner Volgmann