Einfluss von Geometrieparametern auf die Spaltverluste in einem axialen Turbinengitter mit passiver Einblasung

Abstract

In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Senkung der Spaltverluste bei axialer Turbinenbeschaufelung untersucht. Im Fokus steht der Einfluss von Geometrieparametern auf die Methode der passiven Spalteinblasung. Die wesentlichen Untersuchungen werden experimentell und numerisch durchgeführt. Als variable Parameter wurden die Spaltweite und der Einblasewinkel gewählt, da einerseits die Spaltverluste von der Spaltweite abhängen und andererseits bei gegenüber der Druckseite geneigter Einblasung eine weitere Reduktion der Spaltverluste vorhergesagt wird. Die experimentellen Untersuchungen werden am Windkanal des Institutes für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien durchgeführt. Die zur Anwendung kommende Profilgeometrie entspricht dem Spitzenschnitt einer schwach umlenkenden Niederdruck-Gasturbinenbeschaufelung. Mittels pneumatischer Messtechnik wird der Nachlauf der mit einem um 45° geneigten Einblasekanals versehenen Schaufel bei drei charakteristischen Spaltweiten vermessen. Unter Berücksichtigung der vorhandenen Messunsicherheiten stellen in erster Linie die Gesamtverluste und deren Reduktion die Größe von zentralem Interesse dar. Um den Einfluss auch numerisch zu untersuchen, wird ein Modell des im Windkanal verbauten Schaufelgitters gebildet und mittels eines Turbulenzmodells numerische Berechnungen durchgeführt und ein eindimensionales Modell zur Berücksichtigung der Bohrung mittels Randbedingungen verwendet. Vergleichende Auswertung der Verluste mit den gemessenen Ergebnissen soll Aufschluss über die Abbildbarkeit durch das gewählte Berechnungsmodell bringen. Detaillierte Betrachtung der Berechnungsergebnisse soll genauen Einblick in die Spaltströmung sowie bei der Entwicklung des Spaltwirbels geben. Die aus den Messungen und numerischen Berechnungen bestimmten Spaltverluste werden mit einem analytischen Spaltverlustmodell verglichen. Abschließend soll ein einfaches analytisches Modell zur Untersuchung des Einflusses geneigter passiver Einblasung auf zusätzliche Leistung durch eine erhöhte Umfangskraft bei rotierendem System entwickelt werden.

In this thesis, investigations are carried out on a new passive method reducing tip leakage losses in unshrouded axial turbine blading. The focus lies on the variation of a design parameter of passive tip-injection. The main fields of research are experimental as well as numerical investigations. Gap width as well as inclination angle of the injection channel against the blade pressure side are chosen as the varying design parameters. Passive tip-injection reduces tip-leakage loss and inclined tip-injection is said to lead to further reduced tip-leakage loss. Experimental investigations are carried out at the linear cascade wind tunnel of the Institute for Energy Systems and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. The used blade geometry corresponds to a tip section of a low pressure gas turbine blade with weak turning. Pneumatic pressure probes are used to measure the downstream flow field of the modified blade with an inclination angle of 45° at three characteristic gap widths. Taking into account measuring uncertainties, reduction of overall losses is the main quantity of interest. For numerical investigations, a model of the linear cascade used in the wind tunnel is employed in flow simulation using a suitable turbulence model. A one dimensional model is derived, which considers the injection channel acting as boundary conditions on the blade. Comparative interpretation with the measured overall losses gives information about applicability of the chosen calculation model. A detailed investigation of the computed results should bring insight to tip gap flow as well as to roll up of the tip-leakage vortex by using passive tip-injection. Measured and simulated tip-leakage losses will be compared with an analytical tip-leakage loss model. Finally, a simple analytic model is derived to investigate the influence of passive tip-injection on additional power through enlarged circumferential force due to system rotation.