title: Einfluss variierender Rotorspitzenströmung auf die Turbinenaerodynamik
Creators: name: Eitenmüller, Johannes
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: An moderne Axialturbinen werden hohe technische Ansprüche gestellt. Hohe Flexibilität bei
gleichzeitiger Steigerung der Belastung sind eine interessante und herausfordernde Aufgabenstellung
bei der Auslegung von Maschinen. Daher besteht ein Interesse am Verständnis
von Verlustmechanismen, insbesondere bei Wechselwirkung der Aerodynamik innerhalb zweistufiger
deckbandloser Hochdruckturbinen, was Untersuchungsschwerpunkt dieser Arbeit ist.
Dabei liegt der Fokus auf Interaktionsmechanismen der Rotorspitzenströmung mit dem Stator
der zweiten Stufe. Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der signifikanten Einflussgrößen
bezüglich der Strömungsverluste des zweiten Stators zu erhalten.
Hierfür wurde von Rolls-Royce Deutschland Ltd. &amp; Co.KG ein Hochdruckstator mit hoher
Belastung entwickelt, welcher die Geometrie einer moderner Triebwerksstatoren abbildet.
Die Variation der Rotorspitzenströmung wird hierbei zum einen durch die Veränderung des
Spaltmaßes zwischen der Spitze einer konventionellen Squealer-Geometrie und dem Gehäuse
erreicht, zum anderen durch ein Neudesign der Spitzengeometrie, welche von der Siemens
Energy AG entwickelt wurde.
Die Untersuchung erfolgte über einen experimentellen (ergänzend) einen numerischen Ansatz.
Simulationen liefern eine gute Zugänglichkeit zum Strömungsfeld, müssen jedoch validiert
werden, da deren Ergebnisse stark vom gewählten Modellierungsansatz und Randbedingungen
abhängen. Daher wurden für letztere experimentelle Daten verwendet, für deren Erzeugung
eine Niedermachzahlturbine an der TU-Darmstadt zur Verfügung stand. Mit Hilfe der numerischen
Ergebnisse konnten die komplexen Strömungsvorgänge besser verstanden werden. Die
quantitative Bestimmung von Einflussgrößen erfolgte jedoch stets auf Basis experimenteller
Daten. Eine deutliche Verbesserung der Datenqualität und Glaubwürdigkeit der Messergebnisse
wurde zum einen durch umfangreiche Änderung in Regelung und Mechanik erreicht und zum
anderen durch eine detaillierte Fehleranalyse der verwendeten Messtechnik. Zusammen mit
aufwendigen numerischen Simulationen entstand so ein valides Bild der Strömungsvorgänge
in der 1, 5-stufigen Modellturbine.
Es konnte gezeigt werden, dass eine Kopplung zwischen den Verlustgebieten der Rotorspitzenströmung
und dem Wirbelsystem des zweiten Stators stattfindet. Hierbei ist nicht der Betrag
des Totaldruckverlustes, sondern des Totaldruckgradienten maßgebend für die Entstehung von
Wirbelpaaren an der Statorvorderkante und Wirbeln in der Passage, wobei die Ausprägung
durch den Inzidenzwinkel bestimmt wird, welcher zum einen die Ausbildung von Wirbelpaaren
an der Vorderkante beeinflusst, zum anderen die Wirbelbildung in der Statorpassage, da der
Inzidenzwinkel die Schaufelbelastung beeinflusst. So wurde festgestellt, dass eine Reduzierung der Spaltströmungsverluste am Rotor, zu erhöhten Verlusten im Stator führen kann, was der
Intuition zunächst widerspricht, mit erarbeiteten Einflussgrößen jedoch erklärbar ist.
Ein umfassendes Verständnis konnte nur durch die Kombination von experimentellen und numerischen
Ergebnissen erzielt werden. Zur Validierung der Numerik standen hierbei Ergebnisse
von dreidimensionalen Strömungsfeldmessungen im Rotor mittels Stereo Particle Velocimetry
(SPIV), Hitzdrahtanemometrie (HDA), Fünflochsonden (5LS) und akkuraten Wirkungsgradmessung
sowie dreidimensionale Daten von Farbanstrichversuchen zur Verfügung.
Durch die Analyse ergab sich auf Basis der identifizierten Einflussgrößen ein Verbesserungspotential
des isentropen Stufenwirkungsgrades von 0,5pp.