Instationäre Analyse turbulenter Größen in einer Axialturbine

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Analyse der zwei Turbulenzgrößen - Schwankungsgrad und integrales Längenmaß - und ihrer Entwicklung in einer 1,5-stufigen Versuchsturbine.

Mithilfe von zwei Turbulenzgeneratoren werden zusammen mit der Variante ohne Turbulenzgitter drei Zuströmturbulenzgrade mit unterschiedlichen integralen Längenmaßen realisiert. Die Vermessung der turbulenten Größen erfolgt im Bereich zwischen Turbulenzgenerator und Turbinenaustritt. Drei Messebenen in den Axialspalten erlauben eine umfangreiche Bewertung der turbulenten Strömung zwischen den Schaufelreihen. Zur Vermessung des dreidimensionalen Schwankungsvektors kommt eine Hitzdrahtsonde zum Einsatz.

Dem Strömungspfad folgend beginnt die Detailanalyse der Messdaten stromauf des Turbineneintritts in gradientenfreier Strömung. Die Daten belegen dabei den maßgeblichen Einfluss der sich ablösenden von Kármánschen Wirbelstraße auf die Entwicklung der turbulenten Größen. Stromab des ersten Beschleunigungsgitters offenbaren die Messergebnisse eine signifikante Annäherung im Turbulenzgradniveau, sowie der Verteilung der Energie auf die drei Raumrichtungen. Am Rotoraustritt erfolgt eine Superposition der turbulenten Energie im Rotornachlauf auf das Eintrittsniveau. Als Folge der Beschleunigung im zweiten Leitrad kommt es im Turbulenzgrad zu einer weiteren Annäherung im Schwankungsgrad, sodass die Ergebnisse die Konvergenz zu einem turbulenten Sättigungszustand nahelegen.

In Ergänzung zu den Messdaten erfolgt eine numerische Bewertung der turbulenten Größen entlang einer Stromlinie im Hauptstrom. Basierend auf dieser werden Modifikationen der Turbulenzgleichungen bewertet, die eine Vorgabe des experimentellen Längenmaßes erlauben. Hierzu werden die Modellgleichungen vereinfacht, um sie analytisch zu lösen. Durch Modifikation des Destruktionsterms kann eine gute Übereinstimmung zwischen der numerischen Strömungssimulation und dem Experiment im Freistrom erreicht werden.