Rozi, K. (2019). Experimental investigation of the flow field in an adaptive throttling nozzle [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2019.30388
Zur Regulierung des Entnahmedruckes von Entnahme-Dampfturbinen stehen verschiedene technische Möglichkeiten zur Verfügung. Die einzelnen Lösungen weisen spezifische Vor- und Nachteile auf. Bei der sogenannten adaptiven Stufe wird die Leitschaufelreihe aus einem im Gehäuse fixen Festring und einem in Umfangsrichtung verstellbaren Drehring gebildet. Diese Ausführung zeichnet sich auch bei hohen Schließgraden durch eine über den Umfang gleichmäßig verteilte Strömung in der Stufe aus. Die Motivation für die vorliegende Arbeit ergibt sich aus der Tatsache, dass in der offenen Literatur relativ wenige Informationen über adaptive Turbinenstufen zu finden sind. Es wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die zur Verbesserung des Verständnisses der räumlichen Strömungsverhältnisse im Drehschieber für eine adaptive Turbinenstufe führen sollen. Neben dem voll geöffneten Drehschieber wurde der Einfluss verschiedener Schließgrade untersucht. Dabei wurde zwischen einem Schließen Richtung Druckseite bzw. Saugseite unterschieden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Saugseitenüberdeckung bzw. Druckseitenüberdeckung. Als Basis diente eine Gittergeometrie, in der die ebene Strömung in vorangegangenen Arbeiten numerisch und experimentell untersucht wurde. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Strömungsmessungen im ebenen Gitterwindkanal des Institutes durchgeführt. Bei voll geöffnetem Drehschieber wurde die statische Profildruckverteilung in halber Schaufelhöhe gemessen. Aus der Profildruckverteilung lassen sich Gebiete mit verzögerter bzw. beschleunigter Strömung identifizieren. Zur Messung der ebenen Nachlaufströmung in halber Schaufelhöhe wurde sowohl eine pneumatische Dreilochsonde als auch eine 1D-Hitzdrahtsonde verwendet. Der Abströmwinkel nimmt mit steigendem Schließgrad ab und die Totaldruckverluste nehmen zu. Bei höheren Schließgraden nimmt die Nachlaufdelle schließlich die komplette Schaufelteilung ein, was auch aus der Verteilung des Turbulenzgrades ersichtlich ist. Zur Messung der räumlichen Abströmung wurde eine pneumatische Fünflochsonde eingesetzt. Bei voll geöffnetem Drehschieber konnten die typischen Merkmale der räumlichen Abströmung eines ebenen Turbinengitters (Kanalwirbel, Hufeisenwirbel, Eckenwirbel) identifiziert werden. Zur Lokalisierung des Kanalwirbels eignet sich die Verteilung des Abströmwinkels in Umfangsrichtung besser als jene in Schaufellängsrichtung. Die Strömung in der Nähe der Seitenwand ist durch hohe Totaldruckverluste sowie eine hohe kinetische Energie der Sekundärströmung geprägt. Mit steigendem Schließgrad werden die räumlichen Strömungseffekte unterdrückt und die Abströmung wird durch den Einfluss der Strömung hinter dem jeweils rückspringenden Teil des Drehringes dominiert. Bezüglich der Totaldruckverluste zeigt die Saugseitenüberdeckung Vorteile gegenüber der Druckseitenüberdeckung.
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The adaptive stage could be a very reliable solution to avoid an off-design performance in extraction turbines where the highly improved circumferential nonuniformities of the flow and efficiency are needed without significant losses in enthalpy and pressure drop inside the stage. However, the mechanism that is responsible for high performance adaptive stage and the influence of parameters which has limited the efficiency are not well understood nowadays. In this thesis, the flow field in the throttling nozzle used for adaptive stage has been investigated experimentally with an emphasis on the midspan wakes and the endwall secondary flows. A nozzle geometry with fully opening condition was used for this study to describe the basic characteristic of the throttling nozzle flows. Moreover, two different closing techniques with the same design point to regulate the flow capacity are developed and tested on a linear cascade: these are referred to as closing to the pressure side (CPS) and closing to the suction side (CSS). A detailed investigation of the throttling nozzle has been conducted using a linear cascade wind tunnel. The design and experiment methods are based on the previous research in thermal laboratory of Technische Universität Wien. Measurements were achieved by total and wall static pressure probe, static pressure taps, pneumatic probes, and a hot-wire anemometry. An original database was thus documented. Using the pressure taps, the distribution of blade loading in term of static pressure at midspan was measured and used to define a region of favourable and adverse pressure gradient in fully opening cascade. Furthermore, a description of the two-dimensional flow at midspan was tested using two devices involving three-hole probe and single hot-wire to reveal the wake profiles. From these measurements, an increase in the degree of closing leads to an increase of flow nonuniformity in line with an increase of the profile loss and an enlarge of the wake width, however, it reduces static pressure for both closing types investigated. The existence of three-dimensional flow was measured using a five-hole probe. Based on this measurement, the flow field near the endwall is highly three-dimensional occupied by the passage vortex, the counter-rotating vortex, and the suction side leg of the horseshoe vortex. The cores of passage vortex are found more clearly through the isoclines contour of the pitchwise flow angle than in the isoclines contour of the spanwise flow angle. The total pressure deficit and the secondary kinetic energy increase considerably in the secondary flow region compared to the midspan region in all measurement cases. Measurements by partially closing degree indicate a unique result which is that the changes of the closing degree have a substantially effect on the flow structures where the flow field is dominated by the secondary flows with strong vorticity at low degree of closing, however, this flow structure is found to be weak with a significant reduction of the vortex strength at higher closing degree for both closing models examined.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers