Einfluss von Kühlluft auf die Aerodynamik und Aeroelastik einer fünfstufigen Axialturbine

verfasst von

Lennart Stania

betreut von

Jörg Reinhart Seume

Abstract

Die Minimierung der Treibhausgase bei der Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie stellt eines der zentralen Probleme des aktuellen Jahrhunderts dar. Die Umwandlung erfolgt, bei der eine Wirkungsgradverbesserung oder Verwendung von regenerativen Treibstoffen den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid reduzieren würde, maßgeblich in Turbomaschinen. Dafür werden genaue Auslegungsmethodiken benötigt, die aerodynamische Belastungen auf den Schaufeln im Schaufelpfad vorhersagen können. Erst bei einer genauen Vorhersage der Belastungen können die Strukturen mit ausreichender Sicherheit gegenüber Maschinenversagen weiter aerodynamisch optimiert werden. Thermische Störungen in Form eingeblasener Kühlluft können einen Anregungsmechanismus darstellen, der jedoch bisher für hohe Erregerordnungen nahezu unerforscht ist. Daher wird in dieser Arbeit ein Versuchsaufbau beschrieben, der Kühlluft in die vierte Leitreihe einer fünfstufigen Axialturbine einbläst und die aerodynamischen sowie aeroelastischen Einflüsse bewerten kann. Die experimentellen Untersuchungen und die numerische Abbildung des Versuchsaufbaus zeigen einen maßgeblichen Einfluss der Kühlluft auf die Totaltemperatur in der Axialturbine. Die Machzahl- und Totaldruckverläufe sind bei isokinetischer Kühllufteinblasung unbeeinflusst, was mit einem unveränderten Impuls der Strömung zu begründen ist. Die thermische Störung resultiert in veränderten Anströmungen der Schaufelreihen und sorgt damit für oszillierende Anströmwinkel bei passieren der Kühlluft oder der unbeeinflussten Luft. Dies kann als Anregungsmechanismus identifiziert werden, der zu erhöhten Schaufelschwingungen führt. Ein maximaler Anstieg von 20% Schaufelschwingungsamplitude der fünften Laufreihe kann im Experiment beobachtet werden, wobei sich die Schwingungsamplitude einzelner Schaufeln sogar verdoppelt. Die anregende Kraft ist maßgeblich von der Ausmischung der Kühlluft abhängig, was unter anderem vom Kühlluftmassenstrom, der Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Hauptströmung sowie der Durchlaufzahl abhängt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine korrekte Abbildung der Kühlluft bei der Auslegung von Turbomaschinen notwendig ist, damit erfolgreich das aerodynamische Verhalten und die Dauerfestigkeit der Laufreihen hervorgesagt werden kann. Die Numerik ist in der Lage die Tendenzen des Experiments korrekt vorherzusagen, sodass die Numerik sich für die Auslegung von Kühllufteffekten eignet.

Organisationseinheit(en)

Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

159

Publikationsdatum

2024

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/18003 (Zugang: Offen)