Einfluss von fertigungsbedingten Plattformstufen auf Axialturbinen mit wirkungsgradsteigernden Seitenwandkonturen

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von fertigungsbedingten Plattformstufen auf die Wirksamkeit von Seitenwandkonturen in einer 1,5-stufigen Kaltluftturbine untersucht. Zur Stufengenerierung wurde jede dritte Schaufel des ersten Leitrades um einen Millimeter (1,82 % der Kanalhöhe) angehoben. Diese Methode der Stufenerzeugung führt zu Passagen mit drei unterschiedlichen Stufenformen (keine Stufe, rückspringende Stufe, hervorspringende Stufe). Zunächst wurden die aerodynamischen Einflüsse der eingebrachten Plattformstufen bei einer Beschaufelung mit Seitenwandkonturen anhand von CFD Simulationen und experimentelle Messungen aufgezeigt. Im Anschluss wurden diese Ergebnisse mit den numerischen Ergebnissen einer Beschaufelung ohne Seitenwandkonturen verglichen, um den Einfluss der Stufen auf die Wirksamkeit der Seitenwandkonturen zu untersuchen.

Die Ergebnisse offenbaren, dass in den sekundärströmungsbehafteten Bereichen einer Passage mit hervorspringender Stufe bis zu 20 % höhere Totaldruckverluste auftreten und das lokale Wirbelsystem verändert wird. Im Auslegungspunkt der Turbine bewirken die Plattformstufen bei den untersuchten Seitenwandkonturen eine Halbierung der numerisch ermittelten Wirkungsgradsteigerung. Für die gehäuseseitigen Konturen kann festgestellt werden, dass diese zwar einen Teil ihrer Wirksamkeit infolge der Plattformstufen verlieren, aber trotzdem die Verluste bei allen Stufenformen reduzieren können. Bei den nabenseitigen Konturen zeigen die Simulationen keine Verlustreduktion mehr im Laufrad, wenn im vorherigen Leitrad eine hervorspringende Stufe auftritt. Experimentelle Fünflochsonden-Messungen konnten diesen Einfluss einer hervorspringenden Stufe aber nicht bestätigten. Bei einer rückspringenden Stufe wirken die nabenseitigen Seitenwandkonturen weiterhin, verlieren aber ebenfalls ein Teil ihrer Wirksamkeit.