Unsteady side wall flows and heat transfer in a linear turbine cascade
Final Report Abstract
Die im Rahmen des Teilvorhabens 3 des DFG Verbundpaketes PAK948 geplanten Forschungsarbeiten zum Einfluss periodisch‐instationärer Zuströmung auf die wandnahen Strömungen in Niederdruckturbinengittern wurden innerhalb der Projektlaufzeit weitestgehend wie geplant erfolgreich durchgeführt und die Projektziele erreicht. Hierzu erfolgten an einem innovativen Re‐Design des T106A‐Gitterträgers experimentelle Untersuchungen im Hochgeschwindigkeits‐ Gitterwindkanal (HGK) der Universität der Bundeswehr München. Dabei kamen in der Zuströmung, innerhalb der Schaufelpassage und in der Abströmung mehrere moderne Messtechniken, zum Teil in Erstanwendung am HGK, zum Einsatz: transientes Fünf‐Loch‐Sonden‐Verfahren, beeinflussungsarme Hitzdraht‐Anemometrie zur Vermessung der Eintrittsgrenzschicht, PIV in verschiedenen Schnitten und High‐Speed Druck‐ und Temperatursensitive Farben. Ergänzt wurden die experimentellen Ergebnisse durch numerische Simulationen mit dem Strömungslöser TRACE (URANS). Es konnte gezeigt werden, dass sowohl periodisch‐instationäre Zuströmung als auch eine Minderung der Eintrittsgrenzschichtdicke im zeitlichen Mittel eine Abschwächung der Sekundärströmungen, inklusive eines verringerten ‚Liftoff‘ des Kanalwirbels, hervorruft. Die jeweiligen Effekte auf die Strömungsentwicklung innerhalb der Schaufelpassage und die einhergehende lokale Produktion der Verlustkomponenten, ist jedoch sehr unterschiedlich. Während eine Verringerung der Eintrittsgrenzschichtdicke in einer nahezu konstanten Reduktion der axialen Sekundärströmungsverlustentwicklung, beginnend ab etwa der Mitte der Schaufelpassage, resultiert, ist der Effekt periodisch‐instationärer Zuströmung keineswegs konstant. Es handelt sich vielmehr um eine räumliche Umverteilung der Verlustproduktion, mit höheren Profilverlusten im vorderen Teil und einer verzögerten Produktion der Sekundärströmungsverluste im hinteren Teil der Passage aufgrund von Grenzschichtinteraktion mit den Nachläufen. Mithilfe von phasengemittelten Strömungsfeldern innerhalb der Passage (PIV) und Druckverteilungen auf der Schaufeloberfläche (PSP) konnte die periodische Störung der Profilströmung, inklusive einer Unterdrückung der saugseitigen Ablöseblase dargestellt werden. Darüber hinaus wurde dargelegt wie einzelne Sekundärwirbel mit der Profilströmung interagieren und dabei eine starke lokale Beschleunigung auslösen. Die beobachteten Phänomene im Turbinengitter konnten durch das verwendete CFD‐Setup gut wiedergeben werden. Auch die simulierten Effekte der instationären Zuströmung und der Grenzschichtvariation zeigten eine qualitativ gute Übereinstimmung und lieferten wichtige Zusatzinformationen. Die Gesamtheit der erreichten Forschungsergebnisse im Paketvorhaben verdeutlichen die Relevanz des Einflusses instationärer Zuströmung auf die Sekundärströmungen und das generelle Potential einer Berücksichtigung dieses Aspektes im Designprozess von Turbomaschinenkomponenten. Aus den projektbezogenen Arbeiten im Teilvorhaben 3 konnten neben Erkenntnissen zur Strömungsphänomenologie Fortschritte in der fallbezogenen Implementierung moderner Messtechniken erreicht werden.
Publications
- “Numerical Investigation of Secondary Flow and Loss Development in a Low‐Pressure Turbine Cascade with Divergent Endwalls”, Int. J. Turbomach. Propuls. Power 2018, 3(1), 5
Ciorciari, R., Schubert, T., Niehuis, R.
(See online at https://doi.org/10.3390/ijtpp3010005) - “The Effects of Inlet Boundary Layer Condition and Periodically Incoming Wakes on Secondary Flow in a Low Pressure Turbine Cascade”, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2020, Virtual, Online, September 21–25 2020
Schubert, T., Chemnitz, S., Niehuis, R.
(See online at https://doi.org/10.1115/GT2020-14242) - “Near‐Wall Flow in Turbomachinery Cascades – Results of a German Collaborative Project”, Int. J. Turbomach. Propuls. Power 2021, 6(2), 9
Engelmann, D., Sinkwitz, M., di Mare, F., Koppe, B., Mailach, R., Ventosa‐Molina, J., Fröhlich, J., Schubert, T., Niehuis, R.
(See online at https://doi.org/10.3390/ijtpp6020009) - “Numerical Investigation of Loss Development in a Low‐Pressure Turbine Cascade with Unsteady Inflow and Varying Inlet Endwall Boundary Layer”, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2021, Virtual, Online, 7–11 June 2021
Schubert, T., Niehuis, R.
(See online at https://doi.org/10.1115/GT2021-59606) - “On the Influence of Unsteady Inflow and Inlet Boundary Layer Condition on Secondary Flow in a Low Turbine Cascade”, Workshop Near‐Wall Flow in Turbomachinery Blade Rows, January 28‐29, 2021, Virtual Event
Schubert, T., Niehuis, R.
- “The Effects of Inlet Boundary Layer Condition and Periodically Incoming Wakes on Secondary Flow in a Low Pressure Turbine Cascade”, ASME J. Turbomach. April 2021; 143(4): 041001
Schubert, T., Chemnitz, S., Niehuis, R.
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4050116)
