Experimentelle Untersuchung einer tropfenbeladenen Strömung in einer ebenen Verdichterkaskade

Zur kurzfristigen Leistungssteigerung von Gasturbinen kann ein feines Tropfenspray in den Einlauftrakt der Gasturbine eingebracht werden. Die konsequente Verdunstung vor und in dem Verdichter sorgt für einen erhöhten Massenstrom und somit eine erhöhte Leistungsabgabe.

Trotz zahlreicher thermodynamischer Betrachtungen, die die Effektivität des Systems herausstellen, ist die Auswirkung der Tropfen auf die Aerodynamik wenig betrachtet.

Zur vollen Ausnutzung der Potentiale der Nassverdichtung ist es daher notwendig, die auftretenden Phänomene zu verstehen und korrekt vorhersagen zu können. Aus diesem Grund wurden Versuche an einer transsonischen Verdichterkaskade mit dem Ziel durchgeführt, die auftretenden Phänomene zu erfassen und die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Gasturbine zu untersuchen.

Hierzu werden in dieser Arbeit zunächst die relevanten Grundlagen zum Verständnis der tropfenbeladenen Kaskadenströmung dargelegt. Zur Erfassung der experimentellen Ergebnisse wurden unter anderem ein Laser Doppler- /Phasen Doppler Anemometer eingesetzt. Die Filmdicke wurde mittels eines Weißlichtinterferometers aufgenommen und für die Vermessung der Wasserstrukturen wurde eine Methode entwickelt, welche auf der quantitativen Bildauswertung beruht.

Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass ein dünner Wasserfilm von wenigen Mikrometern entsteht, der anschließend in Strähnen aufreißt. Dieser Wandfilm kann als eine Kriechströmung beschrieben werden. Die Form der Strähnen ergibt sich aus der Grenzschicht der darüber liegenden Strömung. Die Strähnen werden genutzt, um auf die abgelagerte Wassermasse zu schließen.

Die Umlenkung und Verzögerung der Strömung in der Kaskade wird durch die Einbringung von Wasser vermindert, was auf eine Impulsübertragung zwischen den Phasen zurückgeführt werden kann. Die Verluste setzten sich aus den Stoß- und den Profilverlusten zusammen. Erste werden durch die Anwesenheit des Wassers minimiert, was einerseits aus einer erhöhten Luftfeuchte und andererseits aus der verminderten Maximalgeschwindigkeit vor dem Stoß resultiert. Die Profilverluste steigen durch die Anwesenheit des Wasserfilms an. Dieser Einfluss kann mit Hilfe einer äquivalenten Sandkornrauheit beschrieben werden.

Zur Reduzierung des Einflusses der Benetzung wurden unterschiedliche Benetzbarkeiten untersucht, die einen positiven Effekt für hydrophile Oberfläche im Auslegungspunkt und für hydrophobe Oberflächen bei starker Fehlanströmung zeigen.