ISBN 9783843918770

978-3-8439-1877-0, Reihe Luftfahrt

Georg A. Reichstein
Secondary Circulation in a Low-Pressure Turbine

117 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Um die Auslegung von Niederdruckturbinen mit gesteigertem Wirkungsgrad zu ermöglichen, ist es wichtig, das dortige Strömungsfeld in seinen Details zu verstehen. Ein Ansatz das Strömungsfeld zu beschreiben, ist die Definition von Sekundärströmung (secondary flow). Aus der rotationssymmetrischen Ausführung einer axialen Niederdruckturbine und der damit einher gehenden Krümmung von Nabe und Gehäuse in Umfangsrichtung, entsteht im Strömungsfeld ein radial ausgerichteter statischer Druckgradient. Dieser Druckgradient ruft eine radiale Strömungskomponente hervor (radial migration).

Basierend auf gegenwärtig verfügbaren Ergebnissen werden zwei Hypothesen formuliert. Die erste identifiziert ‘globale’ radiale Umverteilung, hervorgerufen durch die Umlenkung der Strömung in Umfangsrichtung in einer axialen Niederdruckturbine, als eine wichtige Ursache für sekundäre Zirkulation. Die zweite Hypothese verknüpft ‘lokale’ radiale Umverteilung innerhalb der saugseitigen Grenzschicht mit der lokalen sekundären Zirkulation der Passagenwirbel.

Die erste Hypothese wird in Form eines ergänzenden Terms zu einem bestehenden theoretischen Model ausformuliert. Diese Ergänzung quantifiziert den Einfluss der Umlenkung in Umfangsrichtung innerhalb der Leitschaufelpassage auf die sekundäre Zirkulation. Die zweite Hypothese führt zur Definition zweier neuer Parameter im Zusammenhang mit der radialen Fluidbewegung innerhalb der Schaufelgrenzschicht. Eine Umverteilungsdicke (redistribution thickness), vergleichbar der Verdrängungsdicke einer Grenzschicht, wird definiert. Ebenso wird ein Umverteilungskoeffizient (redistribution coefficient) definiert, der die Umverteilungsdicke mit der Grenzschichtablösung verbindet.

Die Bewertung der Hypothesen erfolgt durch die Analyse von experimentellen Ergebnissen und numerischen Simulationen. Die betrachteten Fälle unterscheiden sich hierbei in der Reynoldszahl. Die experimentellen Ergebnisse werden im Höhenprüfstand am Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart in Kooperation mit der MTU Aero Engines gewonnen. Die numerischen Simulationen bestehen aus stationären und instationären Rechnungen.

Beide Hypothesen können bestätigt werden. Das erweiterte theoretische Model führt zu einer signifikant verbesserten Vorhersage der sekundären Zirkulation. Die Umverteilungsdicke und der Umverteilungskoeffizient verknüpfen die radiale Fluidbewegung innerhalb der Grenzschicht mit der sekundären Zirkulation der Passagenwirbel.