ISBN 9783843907293

978-3-8439-0729-3, Reihe Strömungsmechanik

Mirko Restemeier
Einfluss des Schaufelreihenabstands auf Strömung und Wirkungsgrade in einer subsonischen Axialturbine

171 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Schaufelreihenabstands auf den Wirkungsgrad einer subsonischen Axialturbine untersucht. Die Arbeiten umfassten dabei sowohl numerische Simulationen als auch Messungen an einem Turbinenprüfstand des Instituts für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH in Aachen. Es wurden drei verschiedene Spalte untersucht, wobei der mittlere Spalt einen typischen Wert für reale Niederdruckturbinen darstellt.

Im Auslegungspunkt ergibt sich der höchste gemessene Wirkungsgrad für den mittleren axialen Spalt. Der Wirkungsgrad für den kleinen vermessenen Spalt liegt im Auslegungspunkt leicht darunter, während der lange Axialspalt deutlich abfällt. Diese Wirkungsgradunterschiede sind abhängig vom Druckverhältnis. Für kleine Werte und große Werte des Druckverhältnisses nähern sich die Wirkungsgrade des kleinen Spalts denen des mittleren Spalts an. Zweidimensionale instationäre Simulationen, die keine Seitenwandeffekte beinhalten, bestätigen diese Ergebnisse. Die dreidimensionalen Simulationen haben einen anderen Trend der Wirkungsgrade ergeben. Hier erzielt der kurze Axialspalt die höchste Effizienz, während der mittlere Spalt leicht abfällt und der große Axialabstand deutlich. Als Grund für diese Unterschiede konnte eine veränderte Vorhersage der Entwicklung der Seitenwandgrenzschichten identifiziert werden. In den Detailauswertungen wird gezeigt, dass der Hauptunterschied zwischen den Messungen und der Simulation im Bereich der Nabengrenzschicht auftritt. In Summe wird eine gute Übereinstimmung zwischen Messungen und Simulationen gezeigt. Die Unterschiede zeigen die Grenzen der heutigen numerischen Verfahren auf und werden weiter untersucht werden.

Es konnte nachgewiesen werden, dass das Potential zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Axialturbinen durch Anpassung des Axialabstandes gering ist, wenn bereits hoch optimierte Schaufelprofile verwendet werden. Dennoch kann es lohnenswert sein, dieses Potential durch Anwendung instationärer Rechenverfahren zu bestimmen und in der Entwicklung auszunutzen, wenn die Schaufelfestigkeit es zulässt. Dabei ist besonders auf eine akkurate Vorhersage des Grenzschichtwachstums an der Seitenwand zu achten.