ISBN 978-3-8439-2319-4

978-3-8439-2319-4, Reihe Luftfahrt

Tobias Ries
Aktive Transitionsbeeinflussung auf Niederdruckturbinenschaufeln

143 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, Grenzschichtablösungen auf Niederdruckturbinenschaufeln gezielt mit Hilfe instationärer Anregungen zu vermindern oder zu beseitigen. Anfällig für Grenzschichtablösungen in Niederdruckturbinen sind insbesondere kleine Triebwerke, die in großen Höhen betrieben werden und deren Niederdruckturbine mit Hochauftriebsprofilen ausgestattet sind. Die niedrige Luftdichte und kleinen Abmessungen führen zu niedrigen Reynoldszahlen, was eine laminare Grenzschicht auf der Profilsaugseite bis in den Druckanstiegsbereich ermöglicht. Dies erhöht in Kombination mit hohen Diffusionskoeffizienten von Hochauftriebsprofilen die Wahrscheinlichkeit von Strömungsablösungen, welche den Wirkungsgrad der Turbinenstufe verringern. Eine Verringerung oder Vermeidung solcher Strömungsablösungen kann somit zur Verwendung von Profilen höheren Auftriebs oder alternativ zur Reduktion von Schaufelzahlen führen, was den Bau kleinerer und leichterer Turbinen ermöglicht und so den Wirkungsgrad von Turbine und Gesamtflugzeug erhöht. Grundlage der vorgestellten Untersuchungen ist die bisherige Forschung zu laminar-turbulenter Grenzschichttransition. Zunächst wird die Auslegung eines Windkanalprofils dargestellt, welches die Druckverteilung der Saugseite einer Niederdruckturbinenschaufel auf eine ebene Platte aufprägt. Die so erzeugte Strömung an der ebenen Platte stellt die Grundkonfiguration der Simulationen in dieser Arbeit dar. Im Diffusionsbereich dieser Schaufel befindet sich ein Gebiet mit abgelöster Strömung, dessen Beeinflussung Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen ist. Es werden mit Hilfe von Stabilitätsanalysen der Strömung, die für die instationäre Anregung optimalen Frequenzen zur Beeinflussung der Strömungsablösung ermittelt. In auf diesen Informationen basierenden DNS‑Simulationen, werden durch Variation von Anregungsamplitude, Anregungsposition, Reynoldszahl und Anregungsfrequenz Rückschlüsse auf die auftretenden laminar-turbulenten Transitionsmechanismen und deren Einfluss auf die Strömungsablösung gezogen. Es wird ein Transitionsmodell für industriell einsetzbare Strömungslöser vorgestellt, das auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelt und anhand der DNS‑Simulationen kalibriert wurde. Zudem werden neuartige fluidische Oszillatoren präsentiert, die einen Einsatz von instationären Anregungen zur Ablösekontrolle auf Niederdruckturbinenschaufeln ohne den Einsatz von mechanischen oder elektrischen Komponenten ermöglichen.