Die Strömung innerhalb einer mehrstufigen Turbomaschine ist sowohl von der Rotor-Rotor- bzw. Stator-Stator-Wechselwirkung (Clocking) als auch von der Rotor-Strator-Wechselwirkung geprägt. In beiden Fällen beeinflussen die Nachlaufdellen der stromauf liegenden Schaufelreihen die Grenzschichtentwicklung entlang der stromab liegenden Schaufelprofile und somit die dort erzeugten Verluste. Der experimentelle Teil der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurde im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal an einem Turbinengitter durchgeführt. Das untersuchte Profil T106 entstammt einer hochbelastenden, ungekühlten Niederdruckturbinenstufe und ist im hinteren Teil der Saugseite von einer kurzen Ablöseblase charakterisiert. In Ergänzung zu den Messungen wurden mit den Ergebnissen der von der MTU-München und vom DLR Köln entwickelten Rechenprogramme, gekoppeltes Euler-Grenzschichtverfahren UBLIM bzw. 2-D-Navier-Stokes-Verfahren TRACE-U, aufgestellt.
Zur Simulation der inhomogenen und der instationären Zuströmbedingungen im ebenen Gitterwindkanal wurden zwei verschiedene aus zylindrischen Stäben bestehende Dellenerzeuger ausgelegt. Bezüglich der Untersuchung von Clockingeffekt wurden die Stäbe vor der Schaufelgittereintrittsebene fixiert und nur in diskreten Schritten in Umfangsrichtung versetzt. Die Auslegung einer Dellenerzeugers zur Simulation der Rotos-Stator-Wechselwirkung gestaltete sich aufwendig. Die Komplexität der Aufgabe war vorwiegend in der Schwierigkeit begründet, die Stäbe mit der notwendigen hohen Geschwindigkeit ohne ungewollte Beeinflussung der Zuströmung stromauf vom Schaufelgitter zu bewegen. Die erfolgreich eingesetzte Lösung besteht darin, die Stäbe an zwei parallel laufenden, motorgetriebenen Zahnriemen zu befestigen, die stromauf und stromab vom Schaufelgitter mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 m/s bewegt werden. Die entstehenden Fliehkräfte sowie die Schwingungsneigung werden durch einen zusätzlichen Mechanismus kompensiert. Dadurch können die instationären Zuströmbedingungen einer realen Turbomaschine recht gut simuliert werden.
Unterschiedliche Messtechniken wurden zur Detektierung verschiedener Aspekte der Gitterströmung eingesetzt. Die Ergebnisse der stationären Druckmesstechnik lieferten Informationen zu den zeitgemittelten Größen, während die instationäre Heißfühlertechnik die Strömungsentwicklung zeitlich verfolgen konnte und die Möglichkeit gab, die erfassten Signale nachträglich sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich statistisch auszuwerten.
Messungen wurden für verschiedene Machzahl-Reynoldszahlen-Kombinationen durchgeführt. Dabei wurde bei den stationären Messungen die relative Lage zwischen den Stäben und dem Schaufelgitter, bzw. bei den Untersuchungen zur Rotor-Stator-Wechselwirkung die Geschwindigkeit und Teilung der Stäbe variiert.
Die Ergebnisse zur Rotor-Rotor- bzw. Stator-Stator-Wechselwirkung zeigten für das untersuchte Gitter eine optimale relative Position zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stator- bzw. Rotor-Reihen, die zur Minimierung der Gitterverluste führte. In dieser Lage besitzt die saugseitige Grenzschicht eine lange laminare Lauflänge und schlägt dann über natürliche Transition um. Gleichzeitig ist die Druckseite außer im unmittelbaren Vorderkantenbereich von einer laminaren Grenzschicht charakterisiert.
Die Messungen bei instationärer Zuströmung ermöglichten zum einen ein besseres Verständnis der physikalischen Phänomene und zeigten zum anderen die Möglichkeit auf, die Rotor-Stator-Wechselwirkung zur Reduzierung der Komponentenverluste zu nutzen. Über die Verlustmeldungen konnte eine optimale reduzierte Frequenz der Nachlaufdellen bestimmt werden. Eine Gitterauslegung, die solche Effekte einbezieht, könnte zu einer Verbesserung des Komponentenentwicklungsgrades oder durch den Einsatz höherbelasteter Schaufelgitter zu einer Reduzierung der Schaufelzahl führen. Die Dünnfilmmessungen entlang des Schaufelprofils zeigten einen separierbaren Einfluss des für den Dellenbereich typischen erhöhten Turbulenzgrades und Geschwindigkeitsdefizits auf die Grenzschichtentwicklung und unterstrichen die Notwendigkeit, bei einer numerischen Simulation beiden Aspekten Rechnung zu tragen.
Die Vergleiche mit den Resultaten der zweidimensionalen Euler- und Navier-Stokes-Rechenverfahren zeigten eine gute qualitative Übereinstimmung der Ergebnisse und gaben zusätzliche Informationen zu nur schwer messbaren Größen im Schaufelgitterkanal. Trotzdem wird in näherer Zukunft noch immer eine Validierung der Rechenprogramme mit Hilfe von Messungen notwendig sein, um die Verluste mit ausreichender Genauigkeit berechnen zu können.
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