ISBN 978-3-8439-1392-8

978-3-8439-1392-8, Reihe Luftfahrt

Jenny Baumann
Untersuchungen zur Beeinflussung der Strömungsablösung an hochbelasteten Niederdruckturbinenschaufeln

128 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Bei der Neuentwicklung von Fluggasturbinen spielt die Gewichtsreduzierung der Bauteile eine zunehmend große Rolle. Großes Potential bietet die Niederdruckturbine, da sie etwa ein Viertel des Gesamttriebwerkgewichts ausmacht. Durch Reduktion der Schaufel- und Stufenzahl in der Niederdruckturbine sind Gewichtseinsparungen möglich. Dies führt jedoch aufgrund größerer Druckgradienten zu höheren aerodynamischen Belastungen der Schaufeln. Die laminare Grenzschichtströmung an der Saugseite einer hochbelasteten Niederdruckturbinenschaufel ist dadurch ablösegefährdet. Da eine Grenzschichtablösung Wirkungsgradeinbußen zur Folge haben kann, sind bereits in vergangenen Arbeiten Möglichkeiten zur Unterdrückung der Ablösung untersucht worden. Eine Möglichkeit der Grenzschichtbeeinflussung ist die Einblasung von Luft in die Grenzschicht. Die eingeblasene Luft erzwingt den laminar-turbulenten Umschlag und verhindert so die Entstehung einer laminaren Ablösung. Für diese Methode ist ein Luftmassenstrom notwendig, der dem Gasturbinenprozess im Verdichter als Zapfluft entzogen werden muss. Dies hat eine Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrads zur Folge.

In dieser Arbeit wurde darum eine Möglichkeit untersucht, die Grenzschichtablösung ohne das Einbringen von Zapfluft, mithilfe eines Störimpulses zu unterdrücken. Dafür wurde die Schaufelpassage einer Niederdruckturbine in einem ebenen Kanal nachgebildet. Der für die abgelöste laminare Grenzschicht notwendige Druckgradient wurde mit einer konturierten Wand erzeugt. Für das Einbringen des Impulses in die Grenzschicht wurde ein Lautsprechersystem verwendet, das eine Membran an der ebenen Wand der Messstrecke in sinusförmige Schwingungen versetzt.

Bei den Untersuchungen zur Grenzschichtbeeinflussung wurden Frequenz und Amplitude des eingebrachten Impulses variiert. Die Untersuchungen wurden für verschiedene Diffusionskoeffizienten und Turbulenzgrade durchgeführt. Die Reynoldszahl wurde zwischen 40000 und 79000 variiert. Zur Bestimmung relevanter Strömungsgrößen kam dabei neben der Hitzdraht- und Heißfilmanemometrie auch die Particle Image Velocimetry (PIV) zum Einsatz. Mit den PIV-Messungen konnten Position und Ausdehnung der Ablöseblase in der Messebene bestimmt werden. Zudem konnte mithilfe von auf die Phase des Störimpulses bezogenen Messungen die Wirkungsweise der Grenzschichtbeeinflussung detailliert untersucht werden.