Einfluss von Kühlluft auf die Aerodynamik und Aeroelastik einer fünfstufigen Axialturbine
Creators: name: Stania, Lennart
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: axial turbine
subject: cooling air
subject: aeroelasticity
subject: contains research data
subject: Axialturbine
subject: Kühlluft
subject: Aeroelastik
subject: enthält Forschungsdaten
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik

description: Die Minimierung der Treibhausgase bei der Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie stellt eines der zentralen Probleme des aktuellen Jahrhunderts dar. Die Umwandlung erfolgt, bei der eine Wirkungsgradverbesserung oder Verwendung von regenerativen Treibstoffen den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid reduzieren würde, maßgeblich in Turbomaschinen. Dafür werden genaue Auslegungsmethodiken benötigt, die aerodynamische Belastungen auf den Schaufeln im Schaufelpfad vorhersagen können. Erst bei einer genauen Vorhersage der Belastungen können die Strukturen mit ausreichender Sicherheit gegenüber Maschinenversagen weiter aerodynamisch optimiert werden. Thermische Störungen in Form eingeblasener Kühlluft können einen Anregungsmechanismus darstellen, der jedoch bisher für hohe Erregerordnungen nahezu unerforscht ist. Daher wird in dieser Arbeit ein Versuchsaufbau beschrieben, der Kühlluft in die vierte Leitreihe einer fünfstufigen Axialturbine einbläst und die aerodynamischen sowie aeroelastischen Einflüsse bewerten kann. Die experimentellen Untersuchungen und die numerische Abbildung des Versuchsaufbaus zeigen einen maßgeblichen Einfluss der Kühlluft auf die Totaltemperatur in der Axialturbine. Die Machzahl- und Totaldruckverläufe sind bei isokinetischer Kühllufteinblasung unbeeinflusst, was mit einem unveränderten Impuls der Strömung zu begründen ist. Die thermische Störung resultiert in veränderten Anströmungen der Schaufelreihen und sorgt damit für oszillierende Anströmwinkel bei passieren der Kühlluft oder der unbeeinflussten Luft. Dies kann als Anregungsmechanismus identifiziert werden, der zu erhöhten Schaufelschwingungen führt. Ein maximaler Anstieg von 20% Schaufelschwingungsamplitude der fünften Laufreihe kann im Experiment beobachtet werden, wobei sich die Schwingungsamplitude einzelner Schaufeln sogar verdoppelt. Die anregende Kraft ist maßgeblich von der Ausmischung der Kühlluft abhängig, was unter anderem vom Kühlluftmassenstrom, der Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Hauptströmung sowie der Durchlaufzahl abhängt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine korrekte Abbildung der Kühlluft bei der Auslegung von Turbomaschinen notwendig ist, damit erfolgreich das aerodynamische Verhalten und die Dauerfestigkeit der Laufreihen hervorgesagt werden kann. Die Numerik ist in der Lage die Tendenzen des Experiments korrekt vorherzusagen, sodass die Numerik sich für die Auslegung von Kühllufteffekten eignet.
description: The conversion of thermal energy into electrical energy while minimising greenhouse gases is one of the key problems in the contemporary era. The conversion is primarily realised within turbomachinery, where enhancing efficiency or transitioning to renewable fuels reduces carbon dioxide emissions. This requires precise design methods that accurately predict aerodynamic loads on turbine blades. Only with accurate load predictions can the structures be further optimized aerodynamically with sufficient safety margins against machine failure. Thermal disturbances in the form of injected cooling air can represent an excitation mechanism, however this effect has not been investigated for high excitation orders in the past. Hence, this thesis describes an experimental setup that injects cooling air in the fourth vane stage of a five-stage axial turbine. The aerodynamic and aeroelastic behaviour is evaluated base on injected cooling air. The experimental investigations and the numerical modelling of the test rig shows a significant influence of the cooling air on the total temperature in the axial turbine. The Mach number and total pressure distributions are unaffected by isokinetic cooling air injection, which can be explained by the unchanged momentum of the flow. These changes result in oscillations in the angle of attack of the blade, serving as an excitation mechanism that can amplify blade vibrations. A maximum increase of 20% in vibration amplitude of the fifth blade is measured in the experiment. A doubling of vibration amplitude was observed for individual blades. The stimulating force is largely dependent on the mixing of the cooling air, which depends, among other things, on the cooling air mass flow, the temperature difference between the cooling air and the main flow, and the through-flow rate. The results of this work show that a correct representation of the cooling air is necessary in the design process of turbomachinery in order to successfully predict the aerodynamic behaviour and the fatigue strength of the rotor series. The numerics are able to correctly predict the tendencies of the experiment, so that the numerics are suitable for the design of cooling air effects.