Einfluss von Plattformstufen auf die Strömung und Verlustentstehung in einer dreidimensional gestalteten subsonischen Axialturbine

In dieser Arbeit wird die Strömung an Plattformstufen im ersten Stator einer 1,5-stufigen Axialturbine mit stationären und instationären RANS-Rechnungen numerisch untersucht. Neben dem Vergleich einer prismatischen Schaufel mit zylinderförmiger Seitenwand und einer konturierten Schaufelkanalgestaltung werden ebenso die Einflüsse bei Variation der Stufenhöhe bis zu 3,6% der Kanalhöhe sowie bei Veränderung von Umfangsposition und Form des seitlichen Plattformrands herausgestellt. Für die zur Erzeugung von Stufen im ersten Stator wurde jede dritte Schaufel zusammen mit ihren Plattformen an Nabe und Gehäuse als Ganzes angehoben oder abgesenkt.

Die Mechanismen der Verlustentstehung sind im Wesentlichen die Erzeugung intensiver Wirbel – analog zur Strömungstopologie einfacher zweidimensionaler vor- bzw. rückspringender Stufen – und durch laminar-turbulente Transition der ursprünglich laminaren Bereiche der Seitenwandgrenzschicht, welche an den Stufenkanten stattfindet. Für eine Stufenhöhe von 1,82% der Kanalhöhe ergibt sich eine Einbuße im isentropen Wirkungsgrad von bis zu 0,5 %, welche hauptsächlich aus lokalen Verlusten im ersten Stator resultiert. Die Einbuße befindet sich zudem in derselben Größenordnung wie der Benefit der Konturierung, wobei sich Letzterer aufgrund unterschiedlicher physikalischer Wirkmechanismen als robust gegenüber den untersuchten Stufen erwiesen hat. Neben der Stufenhöhe hängen die Verluste in den Stufenwirbeln ungefähr kubisch von der Geschwindigkeitskomponente ab, welche in der Zylinderebene der Strömung senkrecht auf der Stufenkante steht. Dies erklärt, warum der seitliche Plattformrand in der Nähe der Saugseite die größten Verluste erzeugt. Erwartungsgemäß konnte eine Verschiebung des seitlichen Plattformübergangs um 18% der Teilung in Richtung Druckseite für eine Stufenhöhe von 1,82% der Kanalhöhe die lokalen Verluste halbieren sowie die Reduktion des eingeschlossenen Winkels zwischen Querkanalströmung und seitlicher Stufenkante mittels kreisbogenförmiger Ausgestaltung dieser die Verluste noch weiter senken.

Die Arbeit zeigt, dass eine Korrelation, welche auf Basis einer zweidimensionalen Dimensionsanalyse erstellt wurde, in der Lage ist, das Verlustverhalten bei Form und Lageveränderung gut vorherzusagen. Damit bietet dies das Potential bietet, zur Bestimmung der Verluste aufgrund von Stufenwirbeln auf 3D-Simulationen zu verzichten.