Wirkungsgradpotential von nicht-rotationssymmetrischen Seitenwandkonturen und Schaufelneigung in einer subsonischen Axialturbine

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Analyse wirkungsgradoptimierter Beschaufelungen für eine subsonische Axialturbine. Die Untersuchungen wurden an der 1,5-stufigen Kaltluftturbine des Instituts für Strahlantriebe und Turbomaschinen der RWTH Aachen durchgeführt. Die beiden neuen Konfigurationen wurden im Rahmen einer weiteren Arbeit mit Hilfe eines automatisierten Optimierungsalgorithmus entwickelt. Die erste Konfiguration enthält nicht-rotationssymmetrische Seitenwandkonturen an der Nabe und am Gehäuse des ersten Leitrades sowie an der Nabe des deckbandlosen Laufrades. Für die zweite Konfiguration wurden die Seitenwandkonturen im ersten Leitrad mit einer Schaufelneigung in Form eines Bow kombiniert.

Im Rahmen von Kennfeld-Messungen wurden Wirkungsgrad-Steigerungen im Standard-Betriebspunkt in Höhe von 0,38%-Punkten für die rein seitenwandkonturierte Konfiguration und 0,59%-Punkten für die Kombination von Seitenwandkonturen und Schaufelneigung ermittelt. Durch den Einsatz von stationär und instationär messenden Sonden stromab der Schaufelreihen wird der positive Einfluss der neuen Konfigurationen deutlich. Der Haupteffekt besteht in der Reduktion der Minder- und Überumlenkung nach dem ersten Leitrad. Ursächlich dafür sind teilweise sogar eine Intensivierung der Sekundärströmungen und die Veränderung der Lage der Wirbel zueinander. Dies führt zwar zu erhöhten Verlusten und gestiegener sekundärer kinetischer Energie, wird jedoch durch die verbesserte Laufrad-Anströmung überkompensiert. Im Laufrad bilden sich schwächere Sekundärströmungen, wodurch es in der Folge zu einer reduzierten viskosen Ausmischung und damit geringeren Verlusten kommt. Zudem haben die Sekundärströmungen im Laufrad eine geringere radiale Ausdehnung, so dass sich der ungestörte Freistrombereich vergrößert. In Summe ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Messungen und den zum Vergleich dargestellten Simulationsergebnissen, sowohl in Bezug auf den Wirkungsgrad als auch auf die grundlegenden Strömungseffekte. Durch die Ergebnisse kann zum einen die Wirksamkeit von Seitenwandkonturen und Schaufelneigung in Kombination nachgewiesen werden. Zum anderen kann durch die gute Übereinstimmung der experimentellen und numerischen Ergebnisse die Funktionsfähigkeit des automatisierten Optimierungsalgorithmus belegt werden, der sich somit auf beliebige Turbinendesigns anwenden lässt.