ISBN 9783843933148

978-3-8439-3314-8, Reihe Ingenieurwissenschaften

Roland Brachmanski
Niederdruckturbinenprofile unter dem Einfluss hoher Turbulenzgrade

191 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Neben der reinen Leistungssteigerung von Triebwerken sind die Wirtschaftlichkeit und die damit einhergehende Umweltfreundlichkeit zu maßgeblichen Faktoren in der Turbomaschinenindustrie geworden. Moderne Triebwerke zeichnen sich, neben einer weiteren Steigerung der Leistung und Zuverlässigkeit, durch deutliche Reduktion des Treibstoffverbrauchs, des Schadstoffausstoßes und der Lärmemissionen aus. Mit Steigerung der Profilbelastung im Bereich der Niederdruckturbine und durch Erhöhung der Drehzahl der Niederdruckwelle kann die Schaufelzahl reduziert bzw. die Anzahl der Turbinenstufen gesenkt werden. Dabei müssen keine Leistungseinbußen gegenüber konventionellen Triebwerksarchitekturen hingenommen werden. Der daraus resultierende Gewichtsvorteil gegenüber der konventionellen Triebwerksarchitektur führt zu besonders wirtschaftlichen Triebwerken. Durch die Reduzierung der Stufenanzahl ergeben sich Gewichtsvorteile, die sich im Treibstoffverbrauch niederschlagen. Zudem können die Produktions- und Herstellungskosten reduziert werden.

Um das aerodynamische Verhalten solcher Niederdruck-Turbinenprofile unter den im Flug auftretenden Arbeitsbereichen besser zu verstehen, wurden am Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal (HGK) drei transsonische Profile untersucht. Hierfür konnte das aerodynamische Verhalten der Profile anhand einer unabhängigen Variation der Mach- und Reynolds-Zahl unter turbomaschinenähnlichen Bedingungen analysiert werden.

Der Fokus der experimentellen Kaskadenuntersuchungen wurde auf den Zusammenhang zwischen der Profilumströmung und den resultierenden Totaldruckverlusten bei einer zusätzlichen Variation der Zuströmturbulenz und des Diffusionsfaktors (DF) gelegt. Hierfür ist die Veränderung der Profilumströmung, im Besonderen die Lage der maximalen Mach-Zahl auf der Profilsaugseite, sowie die entstandenen Profilverluste in Form von lokalen und integralen Totaldruckverlusten in der Abströmebene von großem Interesse. Aus der Analyse der beiden Faktoren Lage der maximalen Mach-Zahl und integrale Totaldruckverluste kann ein nicht linearer Zusammenhang nachgewiesen werden. Die Approximation des Zusammenhangs dieser beider Faktoren lässt sich mit einem Polynom zweiten Grades herstellen. Unter Berücksichtigung des theoretischen Diffusionsfaktors und der Reynolds-Zahl kann aus diesem Zusammenhang eine optimale Position der maximalen Mach-Zahl abgeleitet werden, bei der sich ein Minimum an integralen Totaldruckverlusten einstellt.