RGG - Der Windkanal für Rotierende Gitter Göttingen



 

 

RGG-Messstrecke
zum Bild RGG-Messstrecke

 

.
 Konische Messstrecke
zum Bild Konische Messstrecke
 
.
 Animation einer Turbinenstufe bestehend aus Stator und Rotor
zum Bild Animation einer Turbinenstufe bestehend aus Stator und Rotor
 
.
RGG gesamt
zum Bild RGG gesamt
 
.
Skizze des Windkanalkreislaufs
zum Bild Skizze des Windkanalkreislaufs

Für die Entwicklung von Turbinenprofilen stellt das Modell eines ebenen Gitters ein hilfreiches Werkzeug dar. Bei der experimentellen Untersuchung ebener Gitter in einem Windkanal gibt es jedoch eine prinzipielle Einschränkung, insbesondere bei Überschallströmung, und zwar die mangelnde Periodizität in Umfangsrichtung.
Dieser Fehler ist nur zu vermeiden, wenn man statt eines ebenen, endlich langen Gitters ein Ringgitter als Versuchsanordnung wählt. Das Ringgitter ist dem Schaufelkranz einer Turbomaschine sehr viel ähnlicher als ein ebenes Gitter, allerdings sind die Messmöglichkeiten stärker eingeschränkt. Messungen im Ringgitter sind dann unumgänglich, wenn dreidimensionale Effekte maßgeblich sind oder wenn die instationäre Wechselwirkung zwischen Leitrad und Laufrad untersucht werden soll.
Der Windkanal für Rotierende Gitter des DLR Göttingen (RGG) wurde aufgebaut, um stehende und rotierende Ringgitter in einem weiten Parameterbereich zu untersuchen. Ein wesentlicher Auslegungsgesichtspunkt war, die Anlage so variabel und vielseitig wie möglich zu gestalten. Die Untersuchung von Turbinenstufen ist heute seine wichtigste Aufgabe.

Der Windkanalkreislauf ist geschlossen und kann bei variablen Drücken und Temperaturen betrieben werden, wodurch die unabhängige Variation von Machzahl und Reynoldszahl möglich ist. Der Druck im Kreislauf wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe und einer Einspeisung aus der zentralen Druckluftversorgung konstant gehalten.
Das Strömungsmedium (trockene Luft) wird von einem 4-stufigen Radialverdichter mit drehzahlgeregeltem Gleichstrommotor angetrieben. Um die Temperatur im Kreislauf konstant zu halten, ist ein wassergekühlter Wärmetauscher nach dem Verdichter angeordnet. Ein Teil der Luft kann auch um den Kühler herumgeführt werden, um höhere Temperaturen am Eintritt zur Messstrecke zu erzielen. In einem Sekundärkreislauf wird kontinuierlich Luft aus dem Windkanal durch einen Silicagel-Trockner geleitet, um die Luftfeuchtigkeit auf einem niedrigen Wert zu halten. In einem weiteren Sekundärkreislauf kann Luft aus dem Windkanal entnommen werden, um dann über einen oder zwei Hilfskompressoren dem Stator oder Rotor als Ausblaseluft zugeführt zu werden.

Einige Windkanalparameter sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

 

Totaldruck in der Vorkammer 10 ... 150 kPa
Totaltemperatur in der Vorkammer 295 ... 430 K
Maximale Leistung des Verdichtermotors 1 MW
Maximales Druckverhältnis des Verdichters 6
Maximaler Volumenstrom 15.5 m³ / s

Stromauf der Messstrecke passiert das Strömungsmedium eine Vorkammer, ausgerüstet mit Sieben und einem Wabengleichrichter um die Strömung zu vergleichmäßigen. Verschiedene Messstrecken stehen zur Verfügung, sowohl zylindrische als auch solche mit konischer Nabe und konischem Gehäuse. Kleinere Änderungen des Ringraumes werden durch den Austausch von Innenringen erreicht. Im Bild ganz unten ist eine zylindrische Messstrecke mit eingebauter Turbinenstufe dargestellt.

Das Versuchsrad kann durch einen Gleichstrommotor regelbarer Drehzahl sowohl angetrieben, als auch abgebremst werden. Die Strömungsbedingungen im rotorfesten Bezugsystem (Relativsystem) sind abhängig von der Drehzahl des Rotors und von der Druckdifferenz zwischen Messstreckenein- und -austritt. Um die Versuchsparameter während der Messzeit konstant zu halten sind folglich zumindest vier Größen unabhängig voneinander zu regeln: die Drehzahl des Versuchsrades, die Drehzahl des Verdichters, Ruhedruck und -temperatur in der Vorkammer. Die Regelung und Überwachung des Windkanals geschieht rechnergesteuert (SIMATIC-Regelung).

Typische Daten eines Versuchsrades:

 

Durchmesser am Mittelschnitt 512 mm
Schaufelhöhe 40 mm
Maximale Leistung des Generators/Motors 1200 kW
Maximale Drehzahl des Versuchsrades 14 000 rpm
Abströmmachzahl 0.1 ... 1.8
Reynoldszahl bezogen auf Sehnenlänge 50 000 ... 1 000 000

Die angewandten Messverfahren umfassen konventionelle Druck- und Sondenmessungen, aber auch Laser-Geschwindigkeitsmessungen (Laser-2-Fokus), Heißfilmmessungen und KULITE-Messungen zur Bestimmung instationärer Drücke. Die Druckverteilungs- und Heißfilmmessungen können auch im rotierenden System vorgenommen werden.
Die Kennwerte einer Stufe werden durch gleichzeitige Messung von Rotordrehzahl, Drehmoment, Massenfluss, Druck- und Temperaturverhältnissen bestimmt.

 

 Zylindrische Messstrecke mit eingebauter Turbinenstufe
zum Bild Zylindrische Messstrecke mit eingebauter Turbinenstufe

 


URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/at/desktopdefault.aspx/tabid-1563/2431_read-3783/
Downloads zu diesem Artikel
Handout zum RGG (http://www.dlr.de/at/Portaldata/20/Resources/dokumente/tu/RGG_web.pdf)
Experimental Turbine Research at DLR Göttingen (http://www.dlr.de/at/Portaldata/20/Resources/dokumente/tu/GTSJ-2004_colour.pdf)
Detailed Experimental Survey of the Transonic Flow Field in a Rotating Annular Turbine Cascade (http://www.dlr.de/at/Portaldata/20/Resources/dokumente/tu/paper_antwerpen_1997.pdf)
Application of Laser-Two-Focus Velocimetry to Transonic Turbine Flows (http://www.dlr.de/at/Portaldata/20/Resources/dokumente/tu/karl.pdf)