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Hochaufgelöste Strömungsfeldvermessungen in der Rotorpassage einer Niedermachzahlturbine für verschiedene Schaufelspitzengeometrien

Kegalj, Martin :
Hochaufgelöste Strömungsfeldvermessungen in der Rotorpassage einer Niedermachzahlturbine für verschiedene Schaufelspitzengeometrien.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hochaufgelöste Strömungsfeldvermessungen in der Rotorpassage einer Niedermachzahlturbine für verschiedene Schaufelspitzengeometrien
Language: German
Abstract:

In einer Axialturbine stellen die Spaltverluste einen großen Anteil der Gesamtverluste dar. Die Nutzung eines Deckbands ist aus aerodynamischer Sicht sinnvoll, jedoch ist im Hinblick auf die mechanischen Belastungen der thermisch hoch beanspruchten drehenden Schaufeln und aus Kostengründen ein Verzicht anzustreben. Der Hauptparameter für die Verluste ist die Spalthöhe, die aus technischen Gründen nicht beliebig reduziert werden kann, da ein Laufspalt aufgrund der thermischen Ausdehnung und der Schwingungsbelastungen des Triebwerks notwendig ist. Die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite der Schaufel bewirkt die Überströmung der Spitze und die Bildung des Spaltwirbels. Sowohl die reduzierte Umlenkung des Spaltmassenstroms als auch die Verluste durch den Wirbel und die darauffolgende Vermischung mit der Passagenströmung sind für einen verringerten Wirkungsgrad verantwortlich. Die Einbringung einer Squealer-Kavität in die flache Schaufelspitze ist eine Möglichkeit, die aerodynamischen Verluste zu reduzieren. Dabei wird ein Teil der Energie des Spaltmassenstroms bei der Einströmung in die Kavität dissipiert, worauf die aus dem Spalt austretende Strömung einen geringeren Impuls besitzt und der Spitzenmassenstrom reduziert wird. Zur Untersuchung des Einflusses der Spitzengeometrie stand eine 1,5-stufige Niedermachzahlturbine als Prüfstand für experimentelle Untersuchungen zur Verfügung. Die Messungen, durchgeführt mit Fünf-Loch-Sonden, Zwei-Komponenten Hitzdrahtanemometer, instationären Wanddrucksensoren, Stereo- und Boreskopischen Particle-Image-Velocimetry-Aufbauten sowie dem Farbanstrichverfahren, ergeben in den Ebenen zwischen den Schaufelreihen nur sehr geringe Unterschiede für die Strömungswinkel und -geschwindigkeiten. Eine Betrachtung der unvermeidbaren Messfehler belegt die schwierige Erfassung des Einflusses der Squealer-Kavität mit Hilfe der globalen Messdaten in der Schaufelabströmung. Eine lokale Betrachtung der Messgrößen im Gehäusebereich der Rotorpassagen wird nur durch den Einsatz der Lasermesstechnik ermöglicht, wobei auch hier ein Vergleich der Messgrößen aufgrund geringer absoluter Unterschiede schwierig ist. Die Nutzung des Lambda2-Wirbelkriteriums zur objektiven Identifizierung ermöglicht eine Eingrenzung der Wirbelstrukturen und eine Berechnung integraler Größen, die einerseits die kinetische Rotationsenergie und andererseits die Querschnittsfläche sowie die Position des Wirbelzentrums erfassen. Der Vorteil dieser Betrachtung ist eine lokale objektive Quantifizierung der Wirbel. Ein Vergleich der beiden Schaufelspitzenkonfigurationen Flache Spitze und Squealer-Kavität zeigt eine verringerte Wirbelfläche und -energie für letztere, wodurch von einer erfolgreichen Beeinflussung der Spaltströmung und des Spaltwirbels ausgegangen werden kann. In Verbindung mit den Farbanstrichbildern und den instationären Wanddrücken im Bereich des Rotors kann ein nahezu vollständiges und detailliertes Bild der Schaufelspitzenströmung und der einhergehenden Wirbelstrukturen dargestellt werden. Die Verkleinerung und Abschwächung des Wirbels bewirkt eine Verlagerung des Passagenwirbels zur Nabe, wodurch die Strömung in der Passage eine geringere Störung erfährt. Zusätzlich stehen numerische instationäre Strömungssimulationen der 1,5-stufigen Turbine zur Verfügung, die mit den identischen Berechnungen zur Wirbelidentifikation und -quantifizierung bearbeitet wurden. Die Veränderungen der Wirbelgrößen durch die Squealer-Kavität liegen auf einem ähnlichen Niveau (ca. 10% Absenkung) und validieren damit die numerische Simulation in einem lokalen Bereich hochkomplexer Strömungsphänomene an der Rotorschaufelspitze. Durch die gute Übereinstimmung zwischen Messergebnissen und Rechnung wird eine zuverlässige Vorhersage der Absenkung des Spitzenmassenstroms um 9,1 % und der Steigerung des isentropen Wirkungsgrads der Stufe um 0,24 % möglich, während der Wirkungsgrad für die 1,5-stufige Anordnung um 0,34 % ansteigt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In axial turbines tip leakage forms a large portion of the overall losses. Applying a shroud is very aerodynamically useful, but the higher mechanical loads of the revolving rotor blading exposed to a high thermal load and the higher costs suggest a shroudless configuration is better. The main parameter in the tip leakage loss is the tip gap height, which cannot be reduced arbitrarily as a running gap is necessary due to thermal expansion and vibration of the jet engine. The pressure ratio between pressure and suction of the rotor blade forces the fluid over the blade tip and leads to the formation of the tip leakage vortex. Reduced turning and losses caused by vortices and subsequent mixing are responsible for the reduced efficiency. Using a squealer cavity on the flat blade tip is a feasible way to reduce the aerodynamic losses. A portion of the kinetic energy of the tip leakage flow is dissipated while entering the cavity; the flow exiting the cavity enters the passage with reduced momentum and reduced tip gap mass flow. A 1.5 stage low mach number turbine was used to investigate the influence of tip geometry. Aerodynamic measurements, performed with five-hole probes, two-component hot-wire anemometer, unsteady wall pressure sensors, stereo and borescopic particle-image-velocimetry setups and oil & dye flow visualization, found small differences in the flow velocities and angles between the flat and squealer tip configuration in the measurement planes downstream of the rotor. The measurement uncertainty proves the difficulty of determining the influence of the squealer cavity on the blade row outflow with global measurement data. To gather information on the flow close to the casing inside the rotor passage is only possible with non-intrusive laser measurement techniques. Comparison of the different tip geometries is still difficult due to the small differences in the absolute flow data. The use of the lambda2 vortex criterion enables an objective identification and localization of vortex structures, thus allowing the calculation of integral vortex values, such as the rotational kinetic energy and the cross-section area. A comparison of the tip geometry configuration’s flat tip and squealer tip shows decreased vortex area and kinetic energy for the cavity tip, suggesting an influence on the tip gap flow and tip leakage vortex. Combing the results with the oil & dye flow visualization on the rotor tip and the unsteady wall pressure above the rotor, a complete and detailed picture of the tip leakage flow and the vortices close to the rotor tip is possible. The reduction of vortex area and kinetic energy causes a relocation of the passage vortex, leading to a lower disturbance of the passage flow. Unsteady numerical flow simulations of the turbine were treated with the same algorithms for the calculation of the vortex area and kinetic energy. The alterations of the vortex values due to the squealer tip are in the same order as the measurements (approximately 10 % reduction), and validates the numerical simulations in an area of highly complex flow phenomena at the rotor tip. Good agreement between measurement and simulation showed a reduction of the tip leakage mass flow by 9.1 % and the increase of the isentropic stage efficiency by 0.24 %, while the efficiency of the 1.5 stages improved by 0.34 %.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 16 Apr 2013 13:48
Last Modified: 16 Apr 2013 13:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33787
Referees: Schiffer, Prof. Dr. H.-P. and Dreizler, Prof. Dr. A.
Refereed: 26 June 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3378
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