Cascade Wind Tunnel Experiment of Passive Tip Injection under Design and Off-Design Conditions

Abstract

Die Verringerung von Spaltverlusten ist ein bedeutendes Forschungsfeld im Bereich der Turbomaschinen, da sie maßgeblich zu den Gesamtverlusten in Turbinenstufen beitragen. Eine mögliche Methode zur Reduktion dieser Verluste wurde erstmals von Hamik und Willinger veröffentlicht. Ein kleiner Anteil der Hauptströmung soll an der Schaufelvorderkante entnommen und in den Radialspalt einer nicht abgedeckten Schaufel eingebracht werden, um die Spaltströmung zu blockieren. Da hierbei keine Form von Regelmechanismen eingesetzt wird, erhielt das Verfahren die Bezeichnung Passive Tip Injection (PTI). Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis für die Wirksamkeit und die Wirkmechanismen der PTI zu gewinnen. Die zu PTI veröffentlichte Literatur wurde gesammelt, ausgewertet und zusammengefasst. Auf Basis dieser Vorarbeiten wurden Aspekte identifiziert, die entweder noch nicht behandelt wurden oder noch nicht vollständig verstanden sind. Daraus wurden die Forschungsfragen abgeleitet. Aufgrund der zu erwartenden, kleinen Effekte wurde eine Struktur mit drei Hauptsäulen aufgebaut: angewandte Statistik, mit deren Hilfe signifikante von nicht signifikanten Ergebnissen unterschieden werden; das Design of Experiment, welches die systematische Analyse von Versuchsergebnisse beeinflussenden Faktoren umfasst. Dafür wurden sowohl die Anwendung von PTI in einem linearen Schaufelgitter, welche im Fokus steht, als auch der Windkanal- und Laboraufbau selbst betrachtet. Zuletzt wurden die Messunsicherheiten und Sensitivitäten aller direkt gemessenen und abgeleiteten Größen betrachtet. Insgesamt wurden 120 verschiedene Windkanaltestläufe durchgeführt. Dabei wurden die Abströmung des Schaufelgitters sowie die Wanddrücke vermessen. Die gewonnenen Daten wurden geprüft und verschiedenen Auswertungsstufen unterzogen. Eine hohe Reproduzierbarkeit der erzielten Ergebnisse kann bestätigt werden. Die Wirksamkeit von PTI als Mittel zur Reduktion des Gesamtverlustes konnte jedoch nicht für alle Parametersätze nachgewiesen werden. Erstmals wurden auch Off-Design Betriebsbedingungen untersucht. Für geringe radiale Spaltweiten wurde eine Abnahme des Totaldruckverlustbeiwerts festgestellt. Obwohl FDM-gedruckte Schaufeln zur Bestimmung der Profilverluste eingesetzt werden können, es zeigen sich keine Unterschiede zu gefrästen Aluminiumschaufeln, ist eine Eignung für das Rapid Prototyping unterschiedlicher PTI Design auf Basis derselben Schaufel nicht gegeben. Im Nachlauf der mit PTI versehenen Schaufeln wurde infolge des entnommenen Massenstroms ein Anstieg des Totaldruckverlustes nachgewiesen. Verteilungen des statischen Druckbeiwerts an der Seitenwand haben sich als hochgradig verlässlich erwiesen und zeigen die geringsten Unsicherheiten. Der Blockage-Effekt wurde bestätigt und der Einfluss der Spitzenspaltweite auf die durch PTI beeinflussten Bereiche der Seitenwand wurde aufgezeigt.

Reduction in tip leakage loss is a major field in turbomachinery research because it being a major contributor to overall losses in turbine stages. One possible method to achieve a reduction of these was first published by Hamik and Willinger. A small fraction of the main flow should be extracted at the leading edge of the blade and injected into the tip gap of an unshrouded blade to block the tip gap flow. Because it did not utilize any form of control mechanisms, it was named Passive Tip Injection (PTI). The purpose of this thesis is to gain more insight into the feasibility and mechanisms of PTI. The literature published with PTI as the topic was collected, reviewed, and summarized. Based on this initial work, phenomena either not yet covered or not fully understood have been identified and used to form the research questions. Due to the expected subtle differences needing to be resolved, a framework with three main pillars was built; the aspects of applied statistics, which is used to differentiate significant from non significant results. The design of experiment, which encompasses the systemic analysis of factors influencing the experimental results. For this both the main object of the application of PTI in a linear cascade and the wind tunnel and laboratory setup itself were covered. And the calculation of uncertainties and sensitivities of all properties is examined. In total, 120 different wind tunnel runs were conducted. During these, the outlet flow of the cascade and the wall pressures were measured. The data acquired was then checked and submitted to different stages of analysis. High reproducibility of the results obtained can be reported. However, the efficacy of PTI as a means to reduce total loss has not been confirmed for all sets of parameters. For the first time off-design conditions have been tested. A decrease in total pressure loss coefficient was found for the narrow tip gap width. Although FDM printed blades can be used for profile loss assessment, where results are not different from milled aluminum blades, the feasibility for rapid prototyping different PTI designs is not there. An increase in total pressure loss was shown in the blade wake as a result of the extracted mass flow. Wall static pressure coefficient distributions have been found to be highly reliable, showing the smallest uncertainties. The blockage effect was confirmed and the influence of tip gap width onto the areas of the side wall affected by PTI was shown.