Die Anwendung von PIV in Turbomaschinen stellt eine besondere Herausforderung dar, da die betreffenden Prüfstände nur in den
1: Vorder¬kantenstoß; 2: Passagenstoß; 3: CT-induzierter Stoß auf der Saugseite
Im Rahmen des vom BMWi geförderten AG TURBO Verbundprojekts COOREF-T wurden im Vorhaben 1.2.1 erstmals PIV Messungen in einem transsonischen Axialverdichter zur Untersuchung der Blattspitzenwechselwirkung mit Gehäuseeinbauten (sog. Casing Treatments) realisiert. Solche Casing Treatments sind im Turbomaschinenbereich heute ein bedeutendes Mittel, um gezielte Effizienzsteigerungen der Maschine zu erreichen. Die Schwierigkeit bestand darin, im Rotorbereich gerade die Strömungsbeeinflussung durch die geänderte Gehäusegeometrie zu erfassen, ohne durch die eingesetzte Messtechnik zusätzliche Störungen in die Verdichterströmung einzubringen. Daher wurden Teile des Casing Treatments aus Quarzglas gefertigt, um einen optischen Zugang zu ermöglichen. Die hier eingesetzte Lichtschnitt-Sonde wurde speziell entwickelt und so in einer Gehäuse-Kavität platziert, dass keine Teile in die Hauptströmung hinein ragen. Neben den herkömmlichen 2-komponentigen PIV Messungen im Bereich der Blattspitze konnten sogar stereoskopische Messungen im Kopfspalt des Rotors durchgeführt werden. Die experimentell gewonnenen PIV Daten werden zur Validierung der begleitend durchgeführten CFD Rechnungen mit dem DLR TRACE Code genutzt und liefern darüber hinaus einen Beitrag zum besseren Verständnis der Phänomene, die durch die Blattspitzenwechselwirkung mit den Gehäuseeinbauten entstehen.
Der Einsatz von PIV in radialen Turbomaschinen ist aufgrund der komplizierten, unzugänglichen Geometrie im Laufradbereich zur Zeit noch auf die Strömungsuntersuchung im Diffusor (Stator) beschränkt. Im Laufrad wird vorwiegend die punkt-basierte L2F Messtechnik eingesetzt. Beide Anwendungen wurden inzwischen erfolgreich am transonischen Radialverdichter des Instituts demonstriert, nachdem der Prüfstand mit aufwändigen konstruktiven Maßnahmen für den Einsatz der optischen Messtechniken vorbereitet worden war. Mit Hilfe der PIV konnten sehr umfangreiche, phasenaufgelöste Geschwindigkeitsinformationen im Bereich einer Schaufelpassage des Diffusors für verschiedene Betriebsbedingungen der optimierten Radialverdichter- Stufe gewonnen werden. Auf Grundlage dieses Datensatzes kann ein Vergleich mit numerisch gewonnen Daten durchgeführt sowie eine Validierung des verwendeten CFD Codes vorgenommen werden.
Im Anschluss an dieses FVV-geförderte Projekt konnte in herausragender Kooperationsarbeit innerhalb des Instituts der erfolgreiche Einsatz weiterer optischer Messtechniken wie Stereo-PIV, DGV und L2F in der Diffusorpassage des transonischen Radialverdichters demonstriert werden.
Im Bereich axialer Turbomaschinen konnte mit PIV ein Beitrag für die Auslegung von optimierten Kühltechnologien für Schaufelkanäle in energetisch hoch belasteten Turbinenschaufeln geleistet werden. Hier stand die Untersuchung der Wechselwirkung von Hauptströmung mit Rotationseffekten in einem anwendungstypischen Multipass-Kühlsystem, bestehend aus einem trapezförmigen, berippten Vorderkantenkanal, einer 180°-Umlenkung und einem nahezu rechteckigen, ebenfalls berippten hinteren Kanal, im Zentrum des AG TURBO Projektes Rotierender Kühlkanal (RKK). Besonders bei rotierenden Schaufeln ergibt sich aufgrund entstehender Sekundärwirbel und auftretender Zentrifugalkräfte ein sehr komplexes Strömungsfeld. Durch den Einsatz von PIV liegen umfassende und präzise Daten vor, welche zum einen genauere Erkenntnisse über den Einfluss der Rotation auf die strömungsphysikalischen Vorgänge liefern, zum anderen dienen die Ergebnisse als Basis für die Erweiterung numerischer Strömungssimulationsprogramme.
2C- Geschwindigkeitsfelder zu ausgewählten Messebenen (RKK, mit Rippen)