Einfluss großer Reynolds-Zahlen auf das Strömungsverhalten in einer subsonischen Axialturbine

Im Hochdruckteil von Dampfturbinen liegen häufig Reynolds-Zahlen im ein- bis zweistelligen Millionenbereich vor. Aufgrund dessen stellt sich die Frage, inwiefern in einem Luftprüfstand bei vergleichsweise kleiner Reynolds-Zahl ermittelte Ergebnisse von dreidimensionalen Leitradgestaltungsmaßnahmen auf die reale Dampfturbinenumgebung übertragbar sind. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit der Einfluss großer Reynolds-Zahlen sowohl auf das generelle Strömungsverhalten als auch auf das Wirkungsgradpotential derartiger Leiträder bei subsonischer Turbinenströmung untersucht. Die Variation der Reynolds-Zahl erfolgt numerisch anhand der institutseigenen 1,5-stufigen Kaltluftturbine in einem Bereich von 0,8 bis 49,7 Mio. Insgesamt werden drei Schaufelgeometrien des 1. Leitrads detailliert analysiert: das ursprüngliche Basisleitrad sowie jeweils ein Leitrad mit achsenasymmetrischer Seitenwandkonturierung und mit Schaufelbiegung. Die beiden zuletzt genannten Leiträder wurden in einer vorangegangen Arbeit für die kleinste Reynolds-Zahl von 0,8 Mio. wirkungsgradoptimiert.

Bereits die Grundlagenanalyse des Basisleitrads zeigt bei zunehmender Reynolds-Zahl eine deutliche Änderung der zwei- und dreidimensionalen Strömungsphänomene. Dabei kann das numerische Verlustverhalten der zweidimensionalen Schaufelprofilströmung im Schaufelmittelschnitt analytisch akkurat prognostiziert werden. Dies ist bei der hier vorliegenden komplexen, dreidimensionalen Strömung nur bedingt möglich. Große Teile der Wirbel des Sekundärströmungssystems werden in ihrer Größe reduziert und sind näher an der Seitenwand platziert. Dabei ändern sich nicht nur die Wirbelintensitäten sondern auch die Wirbelabstände. Besonders die vorherige deutliche Trennung von Kanalwirbel und druckseitigem Ast des Hufeisenwirbels nimmt bei größeren Reynolds-Zahlen kontinuierlich ab. Die Folge ist eine homogenere Abströmung, welche durch die Verbesserung des Homogenisierungsgrads um bis zu 0,7° quantifizierbar ist. Aufgrund des modifizierten Wirbelsystems verlieren die beiden wirkungsgradoptimierten Leiträder zunehmend an Wirksamkeit. Infolgedessen reduziert sich das absolute Wirkungsgradpotential der Axialturbine bei der achsenasymmetrischen Seitenwandkonturierung von 0,37 %-Pkt. auf 0,12 %-Pkt. und bei der Schaufelbiegung von 0,15 %-Pkt. auf 0,05 %-Pkt. Als Hauptgrund hierfür ist das Sekundärströmungssystem zu nennen, welches sich bei großer Reynolds-Zahl verändert.