Neue Kriterien zur Auslegung dreidimensionaler Beschaufelungen von Axialturbinen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschaeftigt sich mit der Auslegung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung einer vielstufigen Axialturbine. Beim Entwurf einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung wird die Geometrie der Schaufeln (z.B. Kruemmung der Schaufelachse, ueber der Schaufelhoehe veraenderlicher Verlauf des Staffelungswinkels) derart abgeaendert, dass sich der Stroemungsverlust in der gesamten Turbine verringert. Um dies zu erreichen, muss beim Entwurf einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung die Wechselwirkung zwischen hintereinander angeordneten, relativ zueinander bewegten Schaufelreihen beruecksichtigt werden. Dies erfordert eine Berechnung der instationaeren, dreidimensionalen, zeitlich periodischen Stroemung durch mehrere Schaufelreihen. Bei der Entwicklung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung wird ueblicherweise eine grosse Zahl geometrischer Parameter variiert, wodurch der numerische Aufwand umfangreicher Parameterstudien und damit auch die Entwicklungskosten Hoehen erreichen, die aus wirtschaftlicher Sicht nicht vertretbar sind. Um die Entwicklungskosten auf ein wirtschaftlich vertretbares Mass zu beschraenken, muessen bei der Entwicklung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung Methoden und Modelle verwendet werden, die es bei wirtschaftlich vertretbarem numerischen Aufwand erlauben, die Wechselwirkung zwischen hintereinander angeordneten, relativ zueinander bewegten Schaufelreihen zu beruecksichtigen. Diesen Methoden und Modellen wird in der vorliegenden Arbeit besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Einleitend werden die Entstehungsmechanismen der instationaeren, dreidimensionalen Stroemung durch eine Turbinenstufe beschrieben und ein umfassender Ueberblick ueber die dreidimensionalen Gestaltungsmoeglichkeiten der Beschaufelung in einer Axialturbine gegeben. Zwei dieser dreidimensionalen Gestaltungsmoeglichkeiten, naemlich Compound Lean Nozzles und Controlled Flow Nozzles, werden im Rahmen einer Parameterstudie naeher untersucht. Die Geometrie und das Schaufelprofil der Leitreihe sind dem ERCOFTAC-Testcase TSIG U1 entnommen. Die zylindrischen Leitschaufeln des ERCOFTAC-Testcase TSIG U1 werden nach dem Prinzip der Compound Lean Nozzles und der Controlled Flow Nozzles abgeaendert. Die Beschreibung der Geometrie der Compound Lean Nozzles und der Controlled Flow Nozzles derart erfolgt, dass jeweils nur ein einziger Parameter variiert werden kann. Die erhaltenen Berechnungsergebnisse der beiden Parameterstudien werden mit drei, in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Optimierungskriterien bewertet: minimaler mittlerer Totaldruckverlustbeiwert der Leitreihe, minimale Verluste durch Falschanstroemung der stromab angeordneten Laufreihe und minimale Ungleichmaessigkeit des Stroemungsfeldes am Austritt der Leitreihe. Das erste Optimierungskriterium bewertet nur den Stroemungsverlust in der zu optimierenden Leitreihe. Die Aenderung des Stroemungsverlustes in einer stromab angeordneten Laufreihe bleibt unberuecksichtigt. Das zweite Optimierungskriterium beruecksichtigt den Einfluss der Nachlaufstroemung der zu optimierenden Leitreihe auf den Stroemungsverlust in der stromab angeordneten Laufreihe. Die Koppelung der beiden Schaufelreihen basiert auf einer Verlustkorrelation nach Benner et al. Das dritte Optimierungskriterium verwendet die Ungleichmaessigkeit des Stroemungsfeldes am Austritt der zu optimierenden Leitreihe als Mass fuer den stromab der Leitreihe auftretenden Ausmischverlust. Dieses Optimierungskriterium basiert auf dem Mittelungsverfahren nach Kreitmeier. Im Anschluss werden die drei Optimierungskriterien hinsichtlich ihrer Eignung zur Einschraenkung auf guenstige Geometrien der Compound Lean Nozzles und der Controlled Flow Nozzles untersucht. Diese Ueberpruefung erfolgt durch Auswertung von Berechnungsergebnissen der instationaeren Stroemung durch die Turbinenstufe, wobei die Beschaufelung der Leitreihe veraendert wird. Die Beurteilung erfolgt anhand des mittleren Stufenwirkungsgrades. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Optimierungskriterien kann bei der Entwicklung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung das Rechengebiet auf eine einzige Schaufelreihe eingeschraenkt werden. Durch den reduzierten numerischen Aufwand bieten sich bei der Entwicklung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung folgende zwei Moeglichkeiten: Die Entwicklung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung kann in kuerzerer Zeit erfolgen, wodurch die Entwicklungskosten gesenkt und die Wirtschaftlichkeit erhoeht werden koennen. Bei der Entwicklung einer dreidimensional gestalteten Beschaufelung kann eine groessere Zahl geometrischer Parameter bei gleich hohen Entwicklungskosten variiert werden. Dadurch kann die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit der dreidimensional gestalteten Beschaufelung erhoeht werden. Den Abschluss der vorliegenden Arbeit bilden Vorschlaege fuer weitere Arbeiten auf dem Gebiet der dreidimensional gestalteten Beschaufelung in Axialturbinen.

The topic of the present work is the development of three-dimensionally formed bladings of multistage axial turbines. The development of three-dimensionally formed bladings is done by a variation of the stage geometry (e.g. bow of the blade axis, variable distribution of the stagger angle along the blade height) with the object of reducing the losses of the whole turbine. To achieve this object, the interaction of adjacent blade rows has to be considered. Due to the relative motion of adjacent blade rows, the transient, three-dimensional, temporally peridiodic flow through several blade rows has to be calculated and evaluated. The development of three-dimensionally formed bladings requires a variation of many geometrical parameters. The variation of many geometrical parameters results in high numerical and financial expenses that cannot be justified economically, if the optimization is done by an evaluation of the transient, three-dimensional, temporally periodic flow through several blade rows. For a reduction of the numerical and financial expenses, the development of three-dimensionally formed bladings is based on methods and models that consider the interaction of adjacent blade rows. These methods and models are the main topic of the present work. The origin of the transient, three-dimensional flow through a turbine stage is described and an overview of the possible three-dimensional blade designs is given. Two of these possible three-dimensional blade designs, namely Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles, are investigated in parametric studies. The geometry and the blade profile of the stator row are taken from the ERCOFTAC-Testcase TSIG U1. The cylindrical nozzles of the ERCOFTAC-Testcase TSIG U1 are modified according to the principle of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles. The geometry parametrization of the Compound Lean Nozzles and of the Controlled Flow Nozzles is done in such a way, that only one parameter can be variied. The flow through the annular blade row is calculated by the means of CFD. The obtained results are valued by three optimization criteria, presented in this work: minimal total pressure loss coefficient of the stator row, minimal profile losses of the rotor row, arranged downstream of the stator row, and minimal non-uniformity of the flow-field downstream of the stator row. The first opimization criterion considers only the losses in the stator row, supposed to be optimized. The change of the losses in the rotor row, arranged downstream, is not considered. The second optimization criterion considers the influence of the outflow of the stator row on the profile losses of the rotor row, arranged downstream of the stator row. The linkage of the stator row and the rotor row is based on a loss correlation according to Benner et al. The third optimization criterion uses the non-uniformity of the outflow of the stator row, supposed to be optimized. This optimization criterion is based on the averaging method according to Kreitmeier. Following, these three optimization criteria are tested with respect to their ability to reduce the range of feasible geometries of the Compound Lean Nozzles and of the Controlled Flow Nozzles. This is done by evaluation of the transient flow through the turbine stage with different stator row geometries. The mean stage efficiency is used as criterion for the ability to reduce the range of feasible geometries. By applying the optimization criteria, presented in this work, the computational domain can be reduced to a single blade row. Two possible ways are given by the reduced numerical expenses: The development of three-dimensionally formed bladings can be done in a shorter time, resulting in a reduction of the financial expenses as well as in an improvement of the economy. The development of three-dimensionally formed bladings can be done by a variation of more geometrical parameters at constant financial expenses. The efficiency and the economy of the three-dimensionally formed bladings can be increased. At the end of the present work, a summary of further research topics on three-dimensionally formed bladings in axial turbines is given.