Hochaufgelöste Strömungsfeldvermessungen in der Rotorpassage einer Niedermachzahlturbine für verschiedene Schaufelspitzengeometrien

In einer Axialturbine stellen die Spaltverluste einen großen Anteil der Gesamtverluste dar. Die Nutzung eines Deckbands ist aus aerodynamischer Sicht sinnvoll, jedoch ist im Hinblick auf die mechanischen Belastungen der thermisch hoch beanspruchten drehenden Schaufeln und aus Kostengründen ein Verzicht anzustreben. Der Hauptparameter für die Verluste ist die Spalthöhe, die aus technischen Gründen nicht beliebig reduziert werden kann, da ein Laufspalt aufgrund der thermischen Ausdehnung und der Schwingungsbelastungen des Triebwerks notwendig ist. Die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite der Schaufel bewirkt die Überströmung der Spitze und die Bildung des Spaltwirbels. Sowohl die reduzierte Umlenkung des Spaltmassenstroms als auch die Verluste durch den Wirbel und die darauffolgende Vermischung mit der Passagenströmung sind für einen verringerten Wirkungsgrad verantwortlich. Die Einbringung einer Squealer-Kavität in die flache Schaufelspitze ist eine Möglichkeit, die aerodynamischen Verluste zu reduzieren. Dabei wird ein Teil der Energie des Spaltmassenstroms bei der Einströmung in die Kavität dissipiert, worauf die aus dem Spalt austretende Strömung einen geringeren Impuls besitzt und der Spitzenmassenstrom reduziert wird. Zur Untersuchung des Einflusses der Spitzengeometrie stand eine 1,5-stufige Niedermachzahlturbine als Prüfstand für experimentelle Untersuchungen zur Verfügung. Die Messungen, durchgeführt mit Fünf-Loch-Sonden, Zwei-Komponenten Hitzdrahtanemometer, instationären Wanddrucksensoren, Stereo- und Boreskopischen Particle-Image-Velocimetry-Aufbauten sowie dem Farbanstrichverfahren, ergeben in den Ebenen zwischen den Schaufelreihen nur sehr geringe Unterschiede für die Strömungswinkel und -geschwindigkeiten. Eine Betrachtung der unvermeidbaren Messfehler belegt die schwierige Erfassung des Einflusses der Squealer-Kavität mit Hilfe der globalen Messdaten in der Schaufelabströmung. Eine lokale Betrachtung der Messgrößen im Gehäusebereich der Rotorpassagen wird nur durch den Einsatz der Lasermesstechnik ermöglicht, wobei auch hier ein Vergleich der Messgrößen aufgrund geringer absoluter Unterschiede schwierig ist. Die Nutzung des Lambda2-Wirbelkriteriums zur objektiven Identifizierung ermöglicht eine Eingrenzung der Wirbelstrukturen und eine Berechnung integraler Größen, die einerseits die kinetische Rotationsenergie und andererseits die Querschnittsfläche sowie die Position des Wirbelzentrums erfassen. Der Vorteil dieser Betrachtung ist eine lokale objektive Quantifizierung der Wirbel. Ein Vergleich der beiden Schaufelspitzenkonfigurationen Flache Spitze und Squealer-Kavität zeigt eine verringerte Wirbelfläche und -energie für letztere, wodurch von einer erfolgreichen Beeinflussung der Spaltströmung und des Spaltwirbels ausgegangen werden kann. In Verbindung mit den Farbanstrichbildern und den instationären Wanddrücken im Bereich des Rotors kann ein nahezu vollständiges und detailliertes Bild der Schaufelspitzenströmung und der einhergehenden Wirbelstrukturen dargestellt werden. Die Verkleinerung und Abschwächung des Wirbels bewirkt eine Verlagerung des Passagenwirbels zur Nabe, wodurch die Strömung in der Passage eine geringere Störung erfährt. Zusätzlich stehen numerische instationäre Strömungssimulationen der 1,5-stufigen Turbine zur Verfügung, die mit den identischen Berechnungen zur Wirbelidentifikation und -quantifizierung bearbeitet wurden. Die Veränderungen der Wirbelgrößen durch die Squealer-Kavität liegen auf einem ähnlichen Niveau (ca. 10% Absenkung) und validieren damit die numerische Simulation in einem lokalen Bereich hochkomplexer Strömungsphänomene an der Rotorschaufelspitze. Durch die gute Übereinstimmung zwischen Messergebnissen und Rechnung wird eine zuverlässige Vorhersage der Absenkung des Spitzenmassenstroms um 9,1 % und der Steigerung des isentropen Wirkungsgrads der Stufe um 0,24 % möglich, während der Wirkungsgrad für die 1,5-stufige Anordnung um 0,34 % ansteigt