Die Aerodynamik von Turbomaschinen, insbesondere von hoch belasteten Verdichtern ist extrem komplex und verlangt vom Entwurfsingenieur ein sehr tiefgehendes Verständnis der Strömungsvorgänge innerhalb der Beschaufelung. Um einen tiefer gehenden Einblick zu erhalten und das Verständnis zu erleichtern, ist es sinnvoll, vereinfachende Modelle aus der komplexen Turbomaschine abzuleiten. Diese werden dann sowohl mit Hilfe von numerischen Rechenverfahren als auch in Modellexperimenten untersucht. In der Regel dient als einfaches Modell ein ebenes Profilgitter, das zum Beispiel aus einem koaxialen Schnitt durch ein Axialrad abgeleitetund in eine Ebene abgewickelt wurde. Dieses gerade Gitter kann dann für viele grundlegende aerodynamische Studien oder auch Entwurfsüberlegungen herangezogen werden.
Turbomaschinenrelevante Phänomene
Zum Beispiel sind folgende Phänomene der Turbomaschinenströmung von Bedeutung und können am Modell numerisch und experimentell untersucht werden:
Entwurfskonzepte
Das Modell ist ebenfalls gut geeignet, um Entwurfskonzepte für die Profile oder Randzonengestaltungen zu entwickeln und experimentell zu validieren:
Für diese Grundlagenarbeiten steht neben den numerischen Werkzeugen ein transsonischer Gitterwindkanal (TGK) zur Verfügung, in dem sich die aufgeführten turbomaschinenrelevanten Phänomene ausgezeichnet untersuchen lassen. Der Prüfstand erlaubt Untersuchungen im Machzahlbereich von 0.2 bis 1.4, eine von der Machzahl unabhängigen Variation der Reynoldszahl von ca. 0.1 bis 3x106 und Turbulenzgrade von 0.6% bis 4%.
Validierung von Simulationsverfahren
Der Prüfstand ist auch hervorragend geeignet, um 2- und 3-dimemsionale Strömungsberechnungsverfahren und die darin implementierten Turbulenzmodelle zu validieren:
Bild 4:Querströmung auf der Endwand (Ölanstrich) und entsprechende Simulation mit TRACE. In einem Beispiel wurde wurden an einem transsonischen Verdichtergitter umfangreiche Tests durchgeführt, bei denen das gesamte Strömungsfeld durch die Schaufelpassage vermessen wurde. Dieser komplexe Testfall mit Überschallzuströmung (M1 =1.09), starken Verdichtungsstößen, laminarer Stoß-Grenzschicht-Interferenz und stoß-induzierter Eckenablösung stellt eine besondere Herausforderung an die Simulationsverfahren dar. Bild 3 zeigt einige experimentelle Ergebnisse und das Resultat einer zugehörigen numerischen Simulation (Navier-Stokes Löser TRACE). Insbesonere das Ölanstrichbild von der Windkanalseitenwand zeigt, wie komplex die Stömungsverhältnisse im Bereich der Wand-und Eckenablösung sind (AG-Turbo Dez.2000, ASME-JT-July2002). Bild 5: Verdichtungsstöße im transsonischen Rotorgitter
Ein weiterer Testfall für Navier Stokes Löser ist ein hochbelastetes superkritisches Leitradgitter, das die Strömung um ca. 43 Grad umlenkt, im Randzonenbereich aber starke Querströmungen und sogar Rückströmungen hat. Bild 4 zeigt einFoto des räumlich vermessenen Gittes mit einigen Profilen, wie sie auf der Windkanalseitenwand montiert wurden. Zur Sichtbarmachung der wandnahen Strömung wurde die Ölanstrichmethode benutzt. Dabei werden die Profile und die Seitenwand mit einem Gemisch aus Öl und feinem Titandioxyd eingestrichen. Nach einigen Minuten Versuchszeit fließt das Öl-Farbgemisch inRichtung der Wandschubspannungen und verdeutlicht sehr schön die sich ausbildende Sekundärströmung im Randzonenbereich.
Transsonische Verdichterprofile
In schnell drehenden „transsonischen“ Verdichtern, also in Fantriebwerken oder auch in den Eintrittsstufen von großen stationären Gasturbinen kommt es innerhalb der Beschaufelung zu Überschallströmungen und Verdichtungsstößen. Die Verdichtungsstöße tragen insbesondere in der Wechselwirkung mit den Grenzschichten ganz erheblich zum Verlustanstieg bei. Mit Hilfe neuerer Erkenntnisse und numerischen Optimierungsmethoden gelingt es, Profilformen und Schaufelgeometrien zu erzeugen, bei denen der Anteil der Stoßverluste und der induzierten Grenzschichtverluste erheblich reduziert werden können. Experimentelle Untersuchungen im Transsonischen Gitterwindkal (TGK) tragen dazu bei, die Optimierungsstrategien und die darin benutzten Strömungsberechnungsverfahren (MISES und TRACE) zu überprüfen. Bild 5 zeigt ein transsonisches Rotorgitter, das für eine Zuströmmachzahl von 1.25 und minimale Verluste ausgelegt wurde. Rechts sieht man ein Bild aus dem Experiment, in dem mit Hilfe der Schlierentechnik die Verdichtungsstöße sichtbar gemacht wurden und links das entsprechende Bild aus der Simulation, in dem die Stöße mit Hilfe der berechneten Dichtegradienten visualisiert wurden. Ein weiteres Schlierenbild (Bild 6) verdeutlicht, wie sich bei steigender Zuströmgeschwindigkeit die Verdichtungsstöße an den Profilen verändern. Bild 6:Einfluss der Zuströmmachzahl auf die Verdichtungsstöße in einem transsonischen Verdichtergitter
Veröffentlichungen: