Untersuchung der Strömung in beschaufelten Brennkammerdiffusoren unter dem Einfluss angrenzender Gasturbinenkomponenten

Untersuchung der Strömung in beschaufelten Brennkammerdiffusoren unter dem Einfluss angrenzender Gasturbinenkomponenten Brennkammerdiffusoren befinden sich zur Geschwindigkeitsreduktion und dem damit verbundenen statischen Druckrückgewinn zwischen dem Verdichter und der Brennkammer von Gasturbinen. Das Herabsetzen der hohen Verdichteraustrittsgeschwindigkeit ist eine Voraussetzung für die effektive und stabile Verbrennung in der Brennkammer. Zur experimentellen Untersuchung des Einflusses, den stromauf- und stromabwärts gelegene Strömungskomponenten auf den Druckrückgewinn und die Strömungsverluste in Brennkammerdiffusoren ausüben, wurde eine Versuchsanlage entwickelt, die eine Variation der Ein- und Austrittsbedingungen erlaubt. Durch den verwendeten modellierten Axialverdichter konnten verschiedene Verdichterbetriebspunkte simuliert und eine systematische Veränderung der Diffusorzuströmung hervorgerufen werden. Die mit Fünflochsonden, Hitzdrahtsonden und piezoresistiven Druckaufnehmern gemessenen Auswirkungen auf die Diffusorströmung zeigten einen positiven Effekt der periodisch instationären Abströmung des Verdichters auf den Druckrückgewinn, der bis zu 11% betrug. Die Frequenz der für Verdichter typischen Ungleichmäßigkeiten in der Abströmung wurde variiert um die beobachtete Verbesserung zu untersuchen. Des Weiteren wurde die Luftführung in der Brennkammer verändert und damit die Abströmung aus dem Brennkammerdiffusor beeinflusst. Die Aufstauwirkung des stromab des Diffusors angeordneten Flammrohres in der Ringbrennkammer verbesserte den Druckrückgewinn im Diffusor, der zuvor teilweise Ablösungen aufwies, um bis zu 24%. Eine einseitige Drosselung der Brennkammer führte zu unsymmetrischen Abströmbedingungen für den Diffusor, was Strömungsablösungen und verschlechterte Druckrückgewinne zur Folge hatte. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wird die Wichtigkeit der Berücksichtigung von Randbedingungen, unter denen Brennkammerdiffusoren zum Einsatz kommen, deutlich. Durch die Versuche konnte gezeigt werden, welche Randbedingungen sich besonders positiv oder negativ auf die Diffusorströmung in der speziellen Einbausituation in Gasturbinen auswirken. Der Konstrukteur von Brennkammerdiffusoren kann durch die erzielten Ergebnisse auf die wesentlichen Parameter sensibilisiert werden, die bei der Auslegung der Komponente berücksichtigt werden sollten.

Investigations of the Flow in Bladed Combustion Chamber Diffusers Influenced by the Adjacent Gas Turbine Components Combustion chamber diffusers are positioned between the compressor and the combustion chamber of gas turbines to reduce the velocity whilst increasing the static pressure. The reduction of the high velocity entering from the compressor into the combustion chamber is necessary to ascertain an effective and stable combustion. A test facility was developed in order to investigate the influence of the surrounding components on both the pressure recovery and the pressure losses in the diffuser. The inlet and outlet conditions of the diffuser can be varied in the test section. The axial compressor was modelled to simulate certain working points of a real compressor and to systematically vary the diffuser inlet flow. The positive effect of the periodical unsteady compressor flow on the pressure recovery in the diffuser was measured by five hole probes and dual-hot wire probes. The improvement in pressure recovery was found to be 11%. The frequency of the compressor unsteadiness was varied to investigate this phenomenon. Furthermore the flow distribution in the combustion chamber was changed to influence the emergent flow at the diffuser exit. The potential effect of the downstream positioned flame tube in the annular combustion chamber increased the pressure recovery in the partially separated diffuser to 24% higher values. An unbalanced throttling of the inner and outer annuli led to unsymmetrical outflow conditions for the dump-diffuser and therefore to flow separations and bad pressure recoveries. The results of this work show that it is of great importance to take the circumstances into account on which the diffuser runs. With the help of the experiments it could be established which inlet and outlet conditions have a positive or negative effect on the assembled diffuser in gas turbines. The designer can be sensitised on the main parameters, which should be taken into account within the design process.