Untersuchung des Einflusses überlagerter Stator- und Rotornachläufe auf den Clocking-Effekt an einer 1.5-stufigen axialen Gasturbine

Der Einsatz von Clocking - der Relativpositionierung benachbarter Schaufelreihen in mehrstufigen axialen Turbomaschinen - stellt sowohl für Triebwerke als auch für stationäre Gasturbinen ein Potenzial zur Steigerung der bereits sehr hohen aerodynamischen Güte dieser Aggregate dar. Die vorliegende Arbeit liefert einen grundlegenden Beitrag zum besseren Verständnis der den Clocking-Effekt bestimmenden komplexen physikalischen Wirkmechanismen. Dazu wurde eine detaillierte experimentelle Studie zweier Versuchsaufbauten - einer 1.5-stufigen Turbine und einer Speichenradanordnung - anhand verschiedener Messverfahren durchgeführt. Die für die Untersuchungen gewählte Stator 2-Beschaufelung wurde im Hause MTU Aero Engines als modernes Hochauftriebsprofil mit einer für Niederdruckturbinen in Flugtriebwerken typischen Reynoldszahl ausgelegt. Eine wesentliche Charakteristik einer solchen Beschaufelung ist eine auf der Saugseite auftretende transitionale Ablöseblase. Zur Analyse der Interaktionsmechanismen der auftretenden überlagerten Stator- und Rotornachläufe wurden instationär messende Kreuzdrahtsonden sowie entlang der Schaufel des zweiten Stators angebrachte Oberflächenheißfilme verwendet. Darüber hinaus konnten durch den Einsatz pneumatischer Sonden Aussagen über die korrespondierenden im zeitlichen Mittel auftretenden Drücke und Profilverluste gewonnen werden. Neben einem Einblick in die physikalischen Zusammenhänge liefern die gewonnenen experimentellen Ergebnisse eine breite Datenbasis zur Validierung numerischer Berechnungsverfahren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten erstmalig einige der wesentlichen den Clocking-Effekt bestimmenden physikalischen Effekte separiert werden. Der dominierende Verlustmechanismus ist dabei die in Abhängigkeit der Clocking-Position variierende periodische Instationarität stromab des zweiten Stators der geclockten Anordnung. Weitere Verlustquellen sind die sich mit der Clocking-Position verändernde Länge der Ablöseblase und eine veränderte Turbulenzproduktion. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass sowohl der Stator 2-Zuströmwinkel als auch die Umlenkung des zweiten Stators in Abhängigkeit der Clocking-Position variieren. Beide Effekte führen zu einer Veränderung des Arbeitsumsatzes und somit des Wirkungsgrades sowohl der bezüglich des Profilverlustes optimierten, als auch der stromauf davon liegenden Stufe. Anhand eines detaillierten Vergleiches der 1.5-stufigen Versuchsturbine mit einer Speichenradanordnung konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass ein vereinfachter Speichenrotor zwar zur Separierung physikalischer Effekte sinnvoll ist, sich aber nicht eignet um die beim Clocking auftretenden Phänomene in ihrer Ganzheit zu untersuchen. Durch eine Verringerung der Rotordrehzahl zeigte sich darüber hinaus, dass in diesem Fall die durch starke Fehlanströmung erhöhte Turbulenzproduktion stromauf des zweiten Stators zu einer deutlichen Reduzierung der Größe der Ablöseblase führt und der Einfluss der Clocking-Position auf das Verhalten der Ablöseblase dadurch verringert wird.

The circumferential positioning of rotors and/or stators with the same blade count of adjacent rows (called “clocking” or “indexing”) is one way to further improve the already very high aerodynamic efficiencies of multistage axial turbomachines. This work provides detailed information about the physics of stator clocking and allows a better understanding of the complex flow structures and interaction mechanisms that are responsible for the variations in efficiency due to different clocking positions. A comprehensive investigation was carried out using two different experimental setups: a 1.5-stage axial turbine and a simplified model, a “spoked-wheel” setup with a wake generator consisting of cylindrical bars. The second stator of the turbine was designed at MTU Aero Engines as a high-lift profile with a Reynolds number typical for low-pressure turbines in jet engines. At design conditions the flow on the stator 2 suction side features a pronounced separation bubble. To study the behaviour of the stator 2 boundary layer and the interaction mechanisms between stator and rotor wakes different measurement techniques were used: x-wire probes, five-hole probes, static pressure tappings and surface mounted hot-film gauges. The obtained results do not only give a better understanding of the flow physics, but also constitute a great data basis for the validation of numerical models with regard to transitional separated boundary layers under the influence of interacting stator and rotor wakes. This is the first investigation that could clearly separate the dominant loss mechanisms considering stator clocking in low-pressure turbines. It was found that the major loss parameter constitutes the strength of the periodic unsteadiness downstream of the second stator, whereupon the periodic unsteadiness is mostly generated within the stator 2 suction side boundary layer. Two other loss contributions of less significance are the size of the separation bubble and the turbulence production. For all three mechanisms a distinct dependency on the clocking position was found. Furthermore it could be shown that the stator 2 incidence and deflection angles change for different clocking positions, which leads to a varying available enthalpy difference for the rotors upstream and downstream of stator 2. Comparing the 1.5-stage turbine and the spoked-wheel setup it was found that the latter is useful to separate some of the physical mechanisms, but not suited to fully simulate the clocking-effect. The influence of off-design conditions on the clocking-effect was investigated reducing the rotor rpm. The resulting higher turbulence production upstream of stator 2 led to a reduction in bubble size and a less pronounced influence of the clocking position on the behaviour of the separation bubble.