Ausgleichszeiten von pneumatischen Strömungssonden mit Druckmessleitungen

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt das Ausgleichsverhalten der am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien vorhandenen pneumatischen Drei- und Fünflochsonden. Pneumatische Strömungssonden sind im Bereich der Turbomaschinen ein weit verbreitetes Messinstrument zur Bestimmung der Strömungseigenschaften. Mit der Bestimmung des Totaldrucks, des statischen Drucks und der Strömungsrichtung im Gitternachlauf ist es möglich, Rückschlüsse auf den Wirkungsgrad eines Schaufelgitters zu ziehen. Hierfür wird ein möglichst umfassendes Bild der Strömung benötigt, weshalb die Sonden über die gesamte Schaufelteilung traversiert werden, was zu einer großen Anzahl an Messpunkten führt. Bisher wurden für die Ausgleichszeiten Erfahrungswerte herangezogen, was bei einer großen Anzahl an Messpunkten zu einer unnötig langen Messdauer führt. Daher ist die präzise Bestimmung der Ausgleichszeiten der verwendeten Drei- und Fünflochsonden von entscheidender Bedeutung um die Messdauer auf ein Minimum zu reduzieren. In dieser Arbeit wird ein analytisches Modell 1. Ordnung vorgestellt, dass die Vorausberechnung der Ausgleichszeit und das Ausgleichsverhalten eines einfachen Systems aus Leitungen und Volumen ermöglicht. Dieses analytische Modell stellt eine Erweiterung des generischen Modells dar, welches eine klare Trennung zwischen Leitung und Volumen für die Bestimmung der Ausgleichszeit aufweist. Für die Beantwortung der Fragestellungen wurden experimentelle Untersuchungen an drei Drei- und zwei Fünflochsonden im Freistrahlwindkanal der TU Wien durchgeführt. Die Zeitkonstanten der Sonden wurden bei verschiedenen Längen der Druckmessleitungen (520 mm, 970 mm, 2090 mm) und für jede Bohrung gemessen. Basierend auf den ermittelten Zeitkonstanten wurden die unbekannten Sondenlängen bestimmt und mit dem erweiterten Modell wurde eine Zeitkonstante für jede Sonde ermittelt, welche es erlaubt die Ausgleichszeit als Funktion der Druckmessleitung zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen, dass das erweiterte Modell das Ausgleichsverhalten und die Ausgleichszeiten der Sonden mit hoher Genauigkeit für die meisten Bohrungen beschreibt. Allerdings sind Abweichungen zwischen den Messungen und dem erweiterten Modell festzustellen, da es gewisse Unsicherheiten bei den Annahmen für das vorhandene Modell gibt. Dennoch konnte gezeigt werden, dass mit dem erweiterten Modell die Ausgleichszeit ohne Kenntnis des an den Bohrungen anliegenden Drucks in Abhängigkeit der Druckmessleitungen berechnet werden kann.

This diploma thesis investigates the relaxation behaviour of the pneumatic three- and five-hole probes available at the Institute of Energy Technology and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. Pneumatic probes are widely used measuring instruments in the field of turbomachinery to determine flow characteristics. By measuring the total pressure, static pressure and flow direction in the wake, it is possible to draw conclusions about the efficiency of a cascade. To obtain a comprehensive overview of the flow, the probes are traversed across the entire blade pitch, resulting in a large number of measurement points. Until now, empirical values have been used for the response times, leading to unnecessarily long measurement durations with a large number of measurement points. Therefore, the precise determination of the response times of the three- and five-hole probes is crucial to reducing the measurement time to a minimum. This thesis presents a first-order analytical model that enables the prediction of the response time and the equalization behaviour of a simple system of tubes and volumes. This analytical model extends the generic models that have a clear separation between tube and volume for determining the response time. To address the research questions, experimental investigations were conducted on three three-hole and two five-hole probes in the free jet wind tunnel at the Vienna University of Technology. The time constants of the probes were measured at different lengths of the pressure measurement tubes (520 mm, 970 mm, 2090 mm) and for each hole. Based on the determined time constants, the unknown probe lengths were calculated, and the extended model was used to determine a time constant for each probe, allowing the response time to be calculated as a function of the pressure measurement tube. The results show that the extended model describes the relaxation behaviour and response times of the probes with high accuracy for most holes. However, there are deviations between the measurements and the extended model due to uncertainties in the assumptions underlying the existing model. Nevertheless, it was demonstrated that the extended model can be used to calculate the response time without knowing the pressure applied to the holes as a function of the pressure measurement tubes.