Brandenburgische Technische Universität Cottbus Konstruktion und ...

Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Fakultät Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen
Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe des Instituts Verkehrstechnik
Konstruktion und Aufbau einer Messstrecke zur Untersuchung von
Filmkühlung an Turbinenschaufeln im Lowspeed – Windkanal des
Lehrstuhls VFA
Studienarbeit von
cand. Ing. Stefan Wünsche
Cottbus, im April 2004
Vorgelegt am:
Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
der BTU Cottbus
Univ.-Prof. Dr.-Ing H.P. Berg
Betreuer:
Dipl.-Ing. Michael Prinzler

Inhaltsverzeichnis
Ι. Abkürzungen und Symbole
1. Thema der Studienarbeit
1.1. Experiment und Numerik
1.2. Turbinenschaufelkühlung
1.2.1. Konvektionskühlung
1.2.2. Prallkühlung
1.2.3. Filmkühlung
1.2.4. Diffusionskühlung
2. Vorbetrachtungen zur Konstruktion
2.1. Anforderungen der Messtechnik
2.2. Das Ammoniak Diazo Messverfahren
2.3. Particle Image Velocimetrie
2.4. Hitzdrahtanemometrie
3. Konstruktion der Messstrecke
3.1. Einlaufbereich
3.2. Mittelteil
3.3. Nachlaufbereich
3.4. Herstellung der Schaufel
3.4.1. GFK Negativformen
3.4.2. Schaufelteile
3.4.3. Inlays und Plenen
4. Aufbau
4.1. Schaufelmontage
4.2. Inbetriebnahme
4.3. Ergebnis der Vorversuche
ΙΙ. Abbildungsverzeichnis
ΙΙΙ. Quellenverzeichnis
ΙV. Eidesstattliche Erklärung
2

Ι. Abkürzungen und Symbole
Symbole und Einheiten
Symbol:
Bedeutung:
m Meter
cm Zentimeter
mm Millimeter
µm Mikrometer
g
Gramm
K Kelvin
°C Grad Celsius
s
Sekunde
Re Reynoldszahl
ρ
Dichte
l
Strömungsdurchmesser
v
Strömungsgeschwindigkeit
η
dynamische Zähigkeit
w lichte Maschenweite
F o
t
Φ
E
I
f
l
g
m
offene Siebfläche
Siebteilung
Öffnungswinkel
E-Modul
Widerstandsmoment
Durchbiegung
Stützweite
Erdbeschleunigung
Masse
3

Abkürzungen
Abkürzung: Bedeutung :
PIV
LDA
VFA
CAD
Abb.
MDF
GFK
SS
PS
BK
Particle Image Velocimetrie
Laser Doppler Anenometrie
Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
Computer aided Design
Abbildung
mitteldichte Faserplatte
Glasfaser verstärkter Kunststoff
suction site (Saugseite)
pressure site (Druckseite)
Beruhigungskammer
4

1. Thema der Studienarbeit
Im Rahmen eines Forschungsprojektes des Lehrstuhls Verbrennungskraftmaschinen
und Flugantriebe (VFA) der Brandenburgischen Technischen Universität
Cottbus wird eine neue Messstrecke für einen der vorhanden Windkanäle der
Bauart Eiffel benötigt.
Die Messkammer ist für Filmkühluntersuchungen an einem vorgegebenen Turbinenschaufelmodell
vorgesehen. Die enthaltene Messstrecke inklusive des instrumentierten
Turbinenschaufelmodells zu konstruieren und aufzubauen war die im
Rahmen der vorliegenden Studienarbeit zu erfüllende Aufgabe. Dabei hat die
Konstruktion den Anforderungen der durchzuführenden Experimente in punkto
Funktionalität, Zugänglichkeit und Modularität zu genügen. Die Aufgabenstellung
umfasst außer der Konstruktion und dem Aufbau auch die Inbetriebnahme der
Messstrecke, um ihre Funktionstüchtigkeit nachzuweisen. Um die Konstruktion
schon im Stadium der Entwicklung besser veranschaulichen zu können und der
dadurch erleichterten Entscheidungsfindung bei der Lösung konstruktiver Probleme,
war es notwendig, die Messkammer mit Hilfe eines 3D-CAD-Programms zu
konstruieren, welches die räumliche Handhabung und Darstellung der Messstrecke
ermöglicht. Es kam dabei die CAD-Software Pro-Engeneer zur Anwendung.
Zu der grundlegenden Konstruktionsaufgabe der Messstrecke kommen ergänzend
noch Gestaltungs- beziehungsweise Konstruktionsauflagen hinzu, die durch das
Umfeld der Messkammer gegeben sind. Diese galt es zusammen mit den Konstruktionsmaßgaben,
die sich aus den zur Anwendung kommenden Messverfahren
ergeben, zu kombinieren und im Vorfeld zu definieren.
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1.1 Experiment und Numerik
Die Frage, die sich sicherlich zuerst stellt, ist die der Notwendigkeit einer solchen
Messstrecke. Bei dem heutigen Stand der Simulationstechnik noch einen Versuchsstand
zu bauen, um Ergebnisse zu messen, die man doch berechnen und
simulieren könnte, erscheint bei erster Betrachtung zu aufwendig. Das Berechnen
von diversen Strömungsverhältnissen am Computer würde einen deutlich geringeren
Zeit- und Kostenaufwand erfordern, als der Bau und Betrieb einer Messstrecke
im Windkanal.
Doch man ist auch heutzutage noch auf Versuche angewiesen, weil die gängigen
Berechnungsverfahren bei komplexen Strömungen und einer größeren Anzahl von
Eingangsvariablen immer noch unbefriedigende Ergebnisse liefern, weil sie noch
mit zu vielen Idealisierungen rechnen. Man versucht mit Hilfe der Experimente die
Berechnungsverfahren abzustimmen beziehungsweise zu kontrollieren und zu
verbessern, um in Zukunft den Schritt der experimentellen Untersuchung vielleicht
gänzlich überspringen zu können. Doch beim heutigen Stand der Computertechnik
ist es berechtigt der Simulation nicht bedingungslos zu vertrauen, da einfach noch
nicht die Strömungsbedingungen real genug abgebildet werden können.
1.2 Turbinenschaufelkühlung
Um den Wirkungsgrad von Turbinen zu erhöhen, sind seit der Erfindung der Gasturbine
Ingenieure bestrebt, eine möglichst hohe Turbineneintrittstemperatur zu
ermöglichen. Die Fortschritte sind im Gesamtüberblick der Entwicklungsjahre mit
einer steigenden Turbineneintrittstemperatur von durchschnittlich 10K pro Jahr zu
verzeichnen. Diese Steigerung ist auf 2 verschiedenen Wegen möglich.
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Abbildung 1 Entwicklung der Turbineneintrittstemperatur über die Jahre 1955-2000
Der erste Weg eine höhere Eintrittstemperatur in die Turbine zu ermöglichen, ist
die Verwendung immer temperaturbeständigerer Materialien.
Zu Beginn des Triebwerkbaus wurden hierfür hauptsächlich verschiedene Stahllegierungen
verwendet. Ein Beispiel dafür ist die unter der Bezeichnung FBD 1943
bei BMW für das BMW 003 Triebwerk verwendete Legierung. Damit konnten
schon 1943 Turbineneintrittstemperaturen von bis zu 1100 °C bewältigt werden.
Chemische Komponenten von FBD (mass%)
Fe Cr Ni Mo Ta Nb Si Mn C
77,03-78,03 16,5-17,5 15,0 2,0 1,2 1,2 1,0 0,9 0,1
Tabelle 1 Legierungskomponenten von FBD
Diesen Stahllegierungen folgten Titanlegierungen und aktuell werden einkristalline
Nickel- oder Kobaltbasierte Superlegierungen wie zum Beispiel CMSX– 4, Udimet
oder Inconell 800 verwendet, deren Arbeitstemperaturen bei fast 1200 °C liegen.
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Die nickelbasierte Legierung CMSX - 4 hat folgende Zusammensetzung:
Chemische Komponenten von CMSX-4 (mass%)
Ni Cr Co Mo W Al Ti Ta Re Hf
60,68 6,4 9,6 0,61 6,4 5,67 1,04 6,6 2,9 0,1
Tabelle 2 Legierungskomponenten von CMSX-4
Die zweite Maßnahme, eine höhere Turbineninnentemperatur zu ermöglichen, ist
die Turbinenschaufeln zu kühlen. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des
Luftstroms über die für das Material mögliche Temperatur zu erhöhen. Die Luftkühlung
von Turbinenschaufeln ist erstmalig 1935 in Deutschland zum Einsatz gekommen
und hat sich seit dem immer weiter entwickelt und gegenüber anderen
Kühlverfahren, zum Beispiel flüssiggekühlten Turbinenschaufeln, im Flugturbinenbau
durchgesetzt. Da heutzutage Turbineneintrittstemperaturen von bis stellenweise
2100 K vorliegen, sind in modernen Turbinen sehr ausgefeilte Kühlverfahren
erforderlich.
Mit effizienten Kühlverfahren lässt sich nicht nur eine höhere Turbineneintrittstemperatur
und damit ein höherer Wirkungsgrad erreichen, sie erhöhen außerdem die
Lebensdauer der Turbine und deren Zuverlässigkeit. Man unterscheidet hierbei
vier verschiedene Kühlverfahren.
- die Konvektionskühlung
- die Prallkühlung
- die Filmkühlung
- die Diffusionskühlung
1.2.1 Konvektionskühlung
Das zuerst verwendete und einfachste Kühlverfahren ist die Konvektionskühlung.
Hierbei wird die Kühlluft durch Kanäle in der Turbinenschaufel geleitet und kühlt
das Material von innen heraus ab. Dieses Kühlverfahren wird heute immer noch
für die thermisch weniger belasteten Gebiete von Turbinenschaufeln eingesetzt,
jedoch in einer weiterentwickelten Variante. Während früher einfach nur Bohrun-
8

gen durch die Schaufeln führten, die je nach Lage der Bohrung unterschiedlich
groß waren oder die Schaufeln sogar gänzlich hohl gestaltet wurden, werden
heutzutage serpentinenartig geschlungene Kühlluftkanäle verwendet.
Abbildung 2 verschiedene Auslegungsformen für Konvektionskühlkanäle
Abbildung 3 gerade und serpentinenartige Kühlluftkanäle
Für Oberflächengebiete der Turbinenschaufeln, die noch höheren Temperaturen
standhalten müssen oder in Gebieten, in denen die Konvektionskühlung aus technischen
Gründen nicht einsetzbar ist, musste ein anderes Kühlverfahren als die
Konvektionskühlung gefunden werden.
Diese thermisch stark belasteten Gebiete sind vor allem das sehr schmal auslaufenden
Schaufelende (der trailing Edge) und die thermisch stark belasteten Region
um den Staupunkt herum (der leading Edge).
1.2.2 Prallkühlung
Für die schwer zu kühlende Vorderkante der Schaufel um den Staupunkt herum,
entwickelte man die Prallkühlung, um die leading Edge gegen eine Überhitzung zu
schützen. Dieses Kühlverfahren stellt eine Variation der Konvektionskühlung dar.
Durch Bohrungen in den Kühlkanälen wird die Luft von innen direkt auf die zu kühlende
kritische Schaufelstelle geleitet. Die Kühlluftströmung prallt auf die Schaufe-
9

linnenseite. Leider ist dieses Verfahren nicht überall in der Schaufel einsetzbar, da
ein zusätzlicher Hohlraum, ein Inlet, erforderlich ist und dem Verfahren damit ähnliche
technische Grenzen gesetzt sind wie der Konvektionskühlung. Es hat einen
Raumbedarf, der keinen Einsatz an allen Schaufelpositionen zulässt.
Abbildung 4 Kühlluftströmung bei Prallkühlung
1.2.3 Filmkühlung
In Gebieten, die keines dieser Kühlverfahren zulassen, kommt meist die Filmkühlung
zum Einsatz. Bei der Filmkühlung tritt die Kühlluft durch Löcher in der Schaufeloberfläche
aus dieser aus und legt sich als Kühlfilm über die Oberfläche. Dazu
ist jedoch eine gleichmäßige Hauptströmung erforderlich. Dort, wo diese Bedingung
nicht gegeben ist, kann der Kühlfilm aufreißen und die heiße Hauptströmung
würde die Schaufeloberfläche beschädigen. Der Vorteil der Filmkühlung ist ihre
hohe Effektivität. Darüber hinaus kann sie an fast allen Stellen der Schaufeloberfläche
angewendet werden. Wichtig ist hierbei aber eine wohlüberlegte Position
der Kühlluftausblasöffnungen, denn es muss immer ein gleichmäßiger, geschlossener
aber möglichst dünner Kühlfilm erzeugt werden. Dieses Kühlverfahren hat
den Nachteil, dass es den Wirkungsgrad der Turbine mindert, da die eingeblasene
Kühlluft die Temperatur der Hauptströmung senkt. Darum sollte der Kühlfilm so
dünn wie möglich ausgelegt sein. Genau so wichtig wie die Positionierung der
Ausblaseöffnungen ist ihre Geometrie. Während anfangs nur runde Bohrungen
verwendet wurden, ist man bei modernen Turbinen dazu übergegangen, stellenweise
Kühlluftbohrungen mit sich erweiternder Austrittsgeometrie, sogenannte Fan
shaped Holes, zu verwenden. Die Kühlfilmbildung dieser Fan shaped Holes bei
10

verschiedenen Anströmbedingungen soll in der gebauten Messkammer untersucht
werden.
Eine besondere Form der Filmkühlung wird für die trailing edge verwendet. Sie
nennt sich pin-fin cooling. Da es nicht immer möglich ist, in dem schmalen Ende
der Schaufel Filmkühlbohrungen einzubringen, verlaufen bei pin-fin Kühlung die
Kühlluftkanäle offen an der Oberfläche bis zum Schaufelende.
Abbildung 5 Turbinenschaufel mit Filmkühlbohrungen und Pin-Fin Kühlung
1.2.4 Diffusionskühlung
Die vierte Methode ist die Diffusionskühlung. Sie ist ein Spezialfall der Filmkühlung,
bei welcher die Probleme der Positionierung und geometrischen Gestaltung
der Ausblasöffnungen umgangen werden. Bei dieser speziellen Variante verwendet
man ein poröses Material für die Schaufel, durch welches die Luft auf der gesamten
Oberfläche gleichmäßig heraus diffundiert. Auch wenn dieses Verfahren
auf den ersten Blick als die ideale Lösung in bezug auf eine gleichmäßige Kühlfilmverteilung
über die Schaufeloberfläche scheint, hat es doch einen entscheidenden
Nachteil. Dieser Nachteil liegt in dem Material selbst. Die hierfür nötigen
Werkstoffe sind bei weitem nicht den Anforderungen in punkto Hitzebeständigkeit
gewachsen, wie es die sonst verwendeten Metalle sind. Auch setzen sich bei längerem
Betrieb der Turbine die Poren der Oberfläche mit Schmutz und Ablagerungen
zu und so kann kein geschlossener Kühlfilm mehr garantiert werden.
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Da vor allem für die sehr stark beanspruchte erste Turbinenstufe keines der oben
genannten Verfahren allein die Kühlung bewältigen kann, werden bei modernen
Turbinenschaufeln meist mehrere der genannten Kühlverfahren miteinander kombiniert.
In den unkritischeren hinteren Stufen der Turbine, wo sich die Hauptströmung
schon teilweise abgekühlt hat, versucht man, weitestgehend, die Verwendung
der Filmkühlung einzuschränken und die Schaufeln nur von innen zu kühlen
(Prall- oder Konvektionskühlung), um den Wirkungsgradverlust niedrig zu halten.
Abbildung 6 Beispiel einer Turbinenschaufel mit kombinierten Kühlverfahren
12

2. Vorbetrachtungen zur Konstruktion
Als erstes sollen hier die Rahmenbedingungen für die Konstruktion der Messkammer
genau definiert werden. Zwei der wichtigsten Aspekte, welche durch das
Umfeld der Messkammer gegeben sind, dass die vorhandene Beruhigungskammer
und das aktuelle Gebläse weiterhin verwendet werden können. Dabei ist zu
beachten, dass nicht nur die Messkammer daran anzuschließen ist, sondern auch,
dass damit die erforderlichen Strömungsbedingungen und Strömungsqualität erreicht
werden können. Im vorliegenden Fall bedeutet das eine Hauptstromgeschwindigkeit
von ~7m/s bei einem möglichst geringen Turbulenzgrad.
Abbildung 7 Aufbau des Eifelwindkanals des Lehrstuhl vor Umbaubeginn
Um die Ergebnisse der Modellschaufel später auf die Strömungsbedingungen der
realen Schaufel beziehen zu können, ist es wichtig, dass beim Modellversuch die
gleichen Reynoldszahlen vorherrschen, wie beim Original.
Die dimensionslose Reynoldszahl Re wurde 1883 von Osborn Reynold eingeführt
und nach ihm benannt. Sie ist eine der wichtigsten Strömungskennzahlen für den
Unterschallbereich und bezeichnet das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den Zähigkeitskräften,
die in einer Strömung wirken. Sie findet Verwendung bei Körpern,
welche in die Strömung eintauchen oder von ihr umspült werden.
v ∗l
∗ ρ
Re =
η
v = Strömungsgeschwindigkeit
η = dynamische Zähigkeit von Luft bei 20°C
ρ = Dichte des Fluids
l = Strömungsdurchmesser des Kanals
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Um Messergebnisse zu erhalten, welche die realen Bedingungen in einer Turbine
wiederspiegeln ist die Einhaltung der dort vorherrschenden Strömungsbedingungen
wichtig. Physikalisch bedeutet das, im Modellversuch muss die gleiche Reynoldszahl
vorliegen wie in der realen Turbine. Die Strömungsgeschwindigkeiten,
welche in der Turbine vorherrschen, lassen sich mit dem vorliegenden Windkanal
jedoch nicht nachstellen. Die Lösung dieses Problems ist eine Vergrößerung des
Modells.
Um aussagekräftige Messungen durchführen zu können, ist es wichtig, sich Klarheit
darüber zu verschaffen, wie viel von der Umgebung der Schaufel in der Messkammer
darzustellen ist.
Bei den durchzuführenden Versuchen stehen die Strömungsverhältnisse an der
Oberfläche der Schaufel im Vordergrund.
Die idealste Lösung wäre, die Messschaufel in einem Verbund mehrerer Schaufeln,
einer Schaufelkaskade, darzustellen, so wie es beim Einsatz in der Turbine
der Fall ist. An dieser Stelle muss aber bereits die Einschränkung vorgenommen
werden, dass in der Messkammer die Schaufelkaskade nicht wie in der Turbine
kreisförmig angeordnet werden kann, sondern in einer Ebene. Die kleinste so darstellbare
Gruppe wären drei Schaufeln mit der Messschaufel in der Mitte. Die Austrittsöffnung
der Beruhigungskammer hat einen Querschnitt von 400x700 mm. Bei
diesen zu Verfügung stehenden Größenverhältnissen wäre die Messkammer zu
groß geworden, um sie konstruktiv in den Kanal integrieren zu können, beziehungsweise
die Schaufelgruppe zu klein, um die erforderliche Messtechnik in und
an der Messschaufel zu platzieren.
Aus diesen oben erwähnten Gründen ergibt sich die konstruktive Variante einer
Halbpassage um eine einzige stark vergrößerte Schaufel als Konstruktionsgrundlage
für die Messkammer.
Der nächste Anforderungspunkt stammt aus den grundlegenden Forderungen der
Messaufgabe. Es ist nötig, eine definierte, als auch änderbare Fehlanströmung
erzeugen zu können. Als Fehlanströmung wird ein Strömungszustand bezeichnet,
bei dem die Hauptströmung nicht im idealen Anströmwinkel auf die Turbinenschaufel
trifft. Dazu wird es notwendig, den Winkel des Einlaufs relativ zur Messkammer
ändern zu können. Das heißt wiederum, dass der gesamte Einlauf inklu-
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sive Beruhigungskammer um einen bestimmten, noch zu definierenden Punkt
drehbar sein muss.
Das Wanddruckprofil auf der Schaufeloberfläche und die Strömungsverhältnisse in
unmittelbarer Nähe um die Schaufel müssen mit denen einer im Verbund mit anderen
Turbinenbauteilen stehenden Schaufel identisch sein. Die Lösung, welche
sich für diese Problemstellung anbietet, sind adaptive Wände. Das bedeutet, dass
die Seitenwände der Messkammer ein variable Kontur haben. Die Adaption muss
vor allem im Bereich um die Schaufel herum sehr präzise und in sehr kleinen Stufen
möglich sein. Im Einlauf, sowie im Nachlaufbereich ist eine Adaption der Wände
nur zum Angleichen der Adaptionsschritte an der Schaufel von Nöten. Das
heißt, die dafür vorgesehene Konstruktion kann deutlich einfacher gehalten werden.
Aus den oben genannten, für die Konstruktion ausschlaggebenden Maßgaben
folgte, dass die Messkammer eine Halbpassage um eine einzelne Schaufel sein
wird. Die Beruhigungskammer muss mit dem Einlaufbereich schwenkbar sein und
die Messkammer muss auf der gesamten Länge adaptive Wände haben.
Ausgehend von diesen Fakten wurde von Rolls-Royce eine numerische Berechnung
des Druckverlaufes auf der Oberfläche der Reynolds-ähnlichen Modellschaufel
durchgeführt.
Abbildung 8 gerechneter Druckverlauf an der Modellschaufel
15

2.1 Anforderungen der Messtechnik
Die Konstruktion der Messkammer muss im besonderen die Anforderungen der
einzusetzenden Messtechnik erfüllen. Diese müssen ebenfalls von vornherein definiert
werden. Daher ist es wichtig, im voraus festzulegen, welche Messverfahren,
beziehungsweise welche Gruppen von Messverfahren, in Betracht gezogen werden
müssen. Die einzusetzende Messtechnik lässt sich von den konstruktiven Anforderungen
her in vier verschiedene Gruppen aufteilen.
1. Messverfahren, die optische Zugänglichkeit zur Strömung erfordern
2. Messverfahren, die direkte Zugänglichkeit zur Strömung erfordern
3. Messverfahren, die chemische Beständigkeit von Materialien erfordern
4. Messverfahren, die Zugänglichkeit zur Schaufeloberfläche erfordern
Damit die Konstruktion nicht zu kompliziert und kostenaufwendig wird, ist es empfehlenswert,
die Einsatzbereiche der entsprechenden Gruppen von Messverfahren
zu bestimmen. Wenn ein bestimmtes Messverfahren nur in einem Teilbereich der
Messkammer eingesetzt wird, ist es nicht nötig, den Rest der Konstruktion auch
den speziellen konstruktiven Anforderungen dieser Gruppe zu unterwerfen.
Die Messverfahren der Gruppe 1 werden ausschließlich im unmittelbaren Bereich
der Schaufel eingesetzt. Aus dieser Gruppe sollen bei den Versuchen folgende
Messverfahren zur Anwendung kommen: Particle Image Velocimetrie (PIV), Laser
Doppler Anenometrie (LDA) und das Ölanstrichverfahren.
Die Messverfahren erfordern, dass in ihrem Einsatzbereich der Großteil der
Wandmaterialien sehr gut optisch durchgängig ist. Des weiteren sind an diesen
Stellen Einbau- und Befestigungsmethoden zu wählen, welche die optische Qualität
des Materials nicht vermindern, um später keine Verfälschung der Messergebnisse
durch Brechungseffekte, Reflexionen oder andere Störungen zu erhalten.
Dabei ist zu beachten, dass das verwendete Material gut mechanisch bearbeitbar
und belastbar ist. Im restlichen Bereich der Messkammer können dann preiswertere,
leichtere, optisch undurchlässige Materialien benutzt werden.
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Abbildung 9 optische Materialien im Bereich um die Modellschaufel
Die Messverfahren der zweiten Gruppe werden an einer bestimmten Position im
Einlauf und im Nachlauf als auch in unmittelbarer Nähe der Schaufeloberfläche
zum Einsatz kommen. Hier kommen Messungen mit der Fünflochsonde, dem
Prandlrohr und Hitzdrahtsonden zum Einsatz.
Diese Messverfahren erfordern an fest definierten Stellen die Möglichkeit, Sonden
in die Messkammer einzubringen und darin zu bewegen, also einen bestimmten
Strömungsbereich abzutraversieren. Das Traversieren sollte vollautomatisiert
möglich sein. Hierbei sind besondere Anforderungen an die Konstruktion des
Sondendurchbruchs zu stellen. Der Durchbruch muss die automatische Traversierung
eines Messsteckenbereiches ermöglichen. Es dürfen hierbei keine Hindernisse
den vorgeschriebenen Traversierweg versperren und die hierfür nötige Konstruktion
sollte leicht bewegbar sein, gut dichten und außerdem ein problemloses
Austauschen der Sonden ermöglichen. Das an diesen Stellen verwendete Material
muss nur eine ausreichende Belastbarkeit besitzen um die beim Traversieren auf-
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tretenden Krafteinwirkungen zu vertragen. Außerdem sollte es möglichst einfach
mechanisch Bearbeitbar sein, damit auch komplexere konstruktive Lösungen kostengünstig
und schnell herzustellen sind.
Abbildung 10 Grenzschichtvermessung an der Modellschaufel
Bei der dritten Gruppe, welche das hauptsächlich zur Anwendung kommende
Ammoniak Diazo Messverfahren enthält, ist bei der Materialwahl eine Ammoniakbeständigkeit
für alle Materialien, welche mit der ammoniakversetzten Luftströmung
direkt in Berührung kommen, erforderlich. Das sind im besonderen die
Schaufeloberfläche, sowie der gesamte Nachlaufbereich der Messstrecke mit den
daran anschließenden Bauteilen wie den Diffusoren. Da die ammoniakversetzte
Luft erst aus den Ausblasöffnungen in der Schaufeloberfläche austritt, bleibt der
Einlaufbereich mit Beruhigungskammer völlig unberührt davon.
Da am Lehrstuhl VFA auch die Möglichkeit besteht, Wärmeübergangsmessungen
mit dem Naphtalin-Schichtdickenmessverfahren durchzuführen, sollte bei dem
Schaufelmaterial zudem eine Beständigkeit der Oberfläche gegen die Naphthalinbeschichtung
gegeben sein. Die Naphtalinschicht ist selbst nicht das Problem dabei,
sondern das Beschichtungsverfahren. Um eine gute Schichtdicke von etwa
400 µm zu erreichen ist es notwendig, dass zu beschichtende Modell 3-4 mal in
die etwa 140°C heiße Naphtalinschmelze zu tauchen.
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Eine Oberflächenbeständigkeit gegen verschiedene Anstrichverfahren wie Öl-
oder Farbanstiche zur Strömungsvisualisierung kann gegebenenfalls durch eine
entsprechende Lackierung der Schaufeloberfläche erreicht werden.
Bei der vierten und letzten Gruppe von Messverfahren, welche die direkte Zugänglichkeit
zur Schaufeloberfläche erfordern, sind einige der bisher genannten Messverfahren
erneut vertreten. Dazu gehören die Ammoniak Diazo Technik, das
Naphtalin Schichtdicken Messverfahren und die Anstrichverfahren.
Der Zugang zur Schaufeloberfläche muss schnell und ohne größeren Aufwand
erfolgen können. Des weiteren sollte die Schaufeloberfläche beständig gegen e-
ventuelle chemische und mechanische Einwirkungen der entsprechenden Messverfahren
sein. Die Schaufelkonstruktion sollte sich einfach auf andere Messverfahren
umrüsten lassen. Das erfordert gegebenenfalls einen Austausch von
Schaufelteilen oder einen vorübergehenden Ausbau von Stücken der Schaufeloberfläche.
Weiterhin ist es nötig, die Schaufel hohl zu gestalten, um gewisse Teile
der Messtechnik darin zu platzieren. Diese Teile der Messtechnik sollten natürlich
auch zugänglich sein, um sie austauschen und warten zu können.
2.2 Das Amoniak Diazo Messverfahren
Zur Untersuchung der Filmkühleffektivität wird ein Messverfahren in der zu bauenden
Messkammer hauptsächlich Anwendung finden, das kalibrierte Amoniak-
Diazo Messverfahren.
Dieses Messverfahren gehört zur Gruppe der indirekten Messverfahren und ist
eine remissionsphotometrische Messmethode. Es beruht auf einer Analogie zwischen
Stoff- und Wärmeübergang. Diese sagt aus, dass die mathematischen
Formen der dimensionslosen Erhaltungsgleichungen der Wärme- und Massentransfersysteme
gleich sind. Dies gilt unter der Bedingung, dass der Einfluss von
chemischen Reaktionen vernachlässigbar klein ist. Um das zu gewährleisten, benutzt
man nur reine Stoffe oder Stoffgemische, deren Komponenten annähernd
gleich spezifische Wärmekapazitäten aufweisen.
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Die Vorteile des Verfahrens liegen in einer großflächigen Erfassung der Messwerte
an Ebenen oder in einer Richtung gekrümmten Flächen bei einer hohen örtlichen
Auflösung.
Bei diesem Messverfahren wird der Kühlluft hochkonzentriertes Ammoniak NH3
mit einem Reinheitsgrad von 99,8 % in einer Volumenkonzentration von etwa 2 %
beigemischt. Der Feuchtigkeitsgehalt der Trägerluft muss mindestens 60 % betragen.
Auf die Oberfläche des Messobjektes, in diesem Fall das Turbinenschaufelmodell,
wird mit leicht lösbarem Flüssigklebstoff eine Diazo-Folie (Marke: Tepa-
Ahlborn 312.3) aufgeklebt. Diese etwa 100 µm dicke Folie enthält Mangan-2-
Chlorid den chemischen Reaktionspartner für das Ammoniak. Die Folie enthält
noch eine Reihe anderer Chemikalien wie chemische Koppler, Kontrastverstärker,
Feuchtigkeitsreduktoren und zu einem nicht unerheblichen Teil lichtempfindliche
Diazoniumverbindungen.
Beim Kontakt der feuchten, mit Ammoniak versetzten Kühlluft laufen in erster Linie
zwei wichtige Reaktionen ab. Zuerst sorgt das Wasser in der Luft dafür, dass sich
die organischen und anorganischen Säuren, mit denen die Folie beschichtet ist,
um eine Reaktion vor Versuchsbeginn zu verhindern, zersetzen. Dieser Vorgang
lässt sich durch eine noch höhere Luftfeuchte der Kühlluft noch beschleunigen.
Die zweite und ausschlaggebende Reaktion für diesen Versuch ist die Reaktion
des Mangan-2-Chlorid mit dem Ammoniak. Es bildet sich dunkelbraunes Manganchlorid.
Die Intensität der auftretenden Verfärbung ist von der Konzentration des
Ammoniak an der entsprechenden Stelle abhängig.
Um die Reaktionsfähigkeit der Folie nach Versuchsende zu stoppen, wird sie mit
UV-Licht bestrahlt, dieses macht die lichtempfindlichen Diazoniumverbindungen
reaktionsunfähig.
Abbildung 11 verfärbte Diazo-Folie nach einem Versuch
20

2.3. Particle Image Velocimetry
Die Particle Image Velocimetry gehört zu den Messverfahren, welche eine optische
Zugänglichkeit zur Strömung fordern. In die zu untersuchende Strömungsebene
wird mit einem in der Ebene aufgeweiteten Laser ein Laserlichtschnitt gelegt.
Von der Strömung mitgeführte Partikel werden von dem Laser beim
Passieren des Lichtschnittes zum Emittieren von Licht angeregt, als sekundäre
Lichtquelle.
Als Partikel kommen im Prinzip alle kleinen Teilchen in Frage, die einen anderen
Aggregatzustand haben als das zu vermessende Fluid. So ist im Fall der hier konstruierten
Messstrecke der Einsatz von Feststoffpartikeln wie Stäube oder Pulver
genauso denkbar, wie die Verwendung von flüssigen Partikeln in Form von Nebel.
Wichtig für die Wahl der einzusetzenden Partikel ist ihr Folgevermögen in der Fluidströmung.
Ideal ist ein schlupffreies Verhalten des Partikels im Fluid, doch in der
Realität gibt es immer Abweichungen, die auf drei verschiedene Gründe zurückzuführen
sind.
1. Auftrieb: Wenn die Partikel eine andere Dichte als das zu untersuchende
Fluid besitzen steigen oder sinken sie in der Strömung. In Gasen als
Fluid ist das sedimentieren der Partikel nicht zu vermeiden, während
man in Flüssigkeiten meist dichteangepasste Partikel verwenden kann.
2. Trägheitskräfte: Auf die mitgeführten Partikel wirkende Trägheitskräfte
führen zu einer zeitlich verzögerten Beschleunigung des Partikels und
damit zu einer zeitlichen Mittelung der auf das Partikel wirkenden Beschleunigungen.
3. Räumliche Mittelung: Bei größeren Partikeln bewirken die an der O-
berfläche des Partikels angreifenden Kräfte eine räumliche Mittelung
des Partikels.
Der Aufenthaltsort dieser Partikel wird beim Passieren des Laserlichtschnittes von
einer Digitalkamera zu zwei dicht aufeinander folgenden Zeitpunkten festgehalten.
Die hierfür eingesetzten Kameras können bis zu 30 Bilder pro Sekunde aufnehmen.
Das ist nötig, um bei turbulenten Strömungen aussagekräftige Ergebnisse zu
erhalten. Die Kamera muss senkrecht zu der vom Laserlichtschnitt aufgespannten
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Ebene stehen, da die eingesetzten Objektive mit hoher Lichtstärke eine sehr geringe
Tiefenschärfe haben.
Abbildung 12 Komponenten eines PIV Systems
Um aus den aufgenommen Bildern die Informationen über die untersuchte Strömung
zu gewinnen, gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten. Beide sind ein recht
aufwendiger mathematischer Prozess, der auf einer FFT (Fast Fourier Transformation)
beruht. Jedoch sind diese Berechnungen mit den heute üblichen PC`s in
akzeptabler Zeit durchführbar. Bei der Auswertung wird das aufgenommene Bild in
kleine quadratische Bildbereiche aufgeteilt und für jedes dieser Felder die Verschiebungsinforma-tion
errechnet. Die Größe dieser Felder bestimmt also Auflösung
und Genauigkeit der Rechnung und kann vom Benutzer den jeweiligen Erfordernissen
angepasst werden. Man unterscheidet bei den Auswerteverfahren die
Autokorrelation und die Kreuzkorrelation. Das heute übliche Verfahren ist die
Kreuzkorrelation, bei welcher jede Belichtung in einem eigenen Bild gespeichert
wird. Die Analysefelder der beiden Bilder werden miteinander kreuzkorreliert. Die
Kreuzkorrelation erfordert aber einen höheren Rechenaufwand als die Autokorrelation,
da für diese drei FFT`s notwendig sind, anstatt nur zwei, wie bei der Autokorrelation.
Außerdem müssen Kamera und Laser sehr genau synchronisiert sein
und die Kamerageschwindigkeit muss sehr hoch sein.
22

Die Vorteile der Kreuzkorrelation liegen in dem fehlerfreieren Endsignal und der
eindeutigeren Geschwindigkeitsrichtung.
Das Ergebnis einer PIV-Messung sind zwei Geschwindigkeitswerte in zueinander
senkrechten Richtungen für eine große Anzahl Punkte in der Messebene. Die Geschwindigkeitswerte
charakterisieren die Bewegung der von der Strömung mitgeführten
Partikel zum Zeitpunkt der Aufnahme. Üblicherweise erfolgt die Darstellung
in einem Vektorfeld, in dem man sehr gut Betrag und Richtung der
Geschwindigkeit, sowie den ungefähren Verlauf der Strömungslinien erkennen
kann.
Abbildung 13 PIV Vektorbild mit Strömungslinien
23

2.4. Hitzdrahtanemometrie
Die Hitzdrahtanemometrie oder auch Thermoanemometrie ist eine äußerst präzise
Messtechnik zur Untersuchung von turbulenten Strömungen.
Es gehört zur zweiten Gruppe von Messverfahren welche direkten Zugang zur
Strömung erfordern, denn es wird mit einer Messsonde durchgeführt.
Mit der Hitzdrahtanemometrie ist es möglich, die dreidimensionale turbulente Bewegung
von Strömungen in Echtzeit zu erfassen.
Mann unterscheidet bei der Hitzdrahtanemometrie grundsätzlich zwei Verfahren,
die „Constant Temperature Anemometry“ (CTA) und die „Constant Current Anemometry“
(CCA). Relevante Messgrößen sind Mittelwerte und Schwankungen der
turbulenten Geschwindigkeiten, Turbulenzgrade, Wirbelgrößenverteilungen und
instationäre Effekte turbulenter Strömungen.
Bei beiden Messmethoden erfolgt die Geschwindigkeitsmessung mit einem elektrisch
beheizten Draht. Dieser etwa 5 µm dicke Draht gibt an seine Umgebung infolge
von Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung Wärme ab. Ausschlaggebend
für die Wärmeabgabe bezüglich der Konvektion ist die Geschwindigkeit
der Strömung. Das erfordert, dass die Temperatur des Hitzdrahtes über der Temperatur
der Strömung liegt.
Beim der CTA regelt man den Hitzdraht durch eine entsprechende Schaltung auf
eine konstante Temperatur. Die dafür benötigte Spannung ist ein direktes Maß für
die Strömungsgeschwindigkeit. Dazu muss aber zuvor der Spannungs-
Geschwindigkeits Verlauf für jede Sonde mit einer bekannten Strömung ermittelt
werden.
Die CCA funtioniert im Prinzip auf die gleich Weise, nur dass bei dieser Methode
der Strom im Hitzdraht konstant gehalten wird.
Mit der Hitzdrahtanemometrie ist sowohl die zweidimensionale als auch dreidimensionale
Strömungsvermessung möglich.
Hitzdrahtsonden haben einen Nachteil, sie bestimmen die Strömungsverhältnisse
nur in einem sehr kleinen Bereich. Das ist zwar Grund, warum mit dieser Messtechnik
sehr turbulente Strömungsfelder hochaufgelöst dargestellt werden können,
24

doch um größer Strömungsgebiete zu vermessen ist eine zeitaufwendige Traversierung
erforderlich.
Abbildung 14 Kopf einer vierfach Hitzdrahtsonde
Abbildung 15 Kopf einer X-Draht Sonde
25

3. Konstruktion der Messstrecke
Um die Konstruktion übersichtlicher und verständlicher beschreiben zu können,
wird die Messkammer in drei Abschnitte eingeteilt, die einzeln nacheinander vorgestellt
werden. Die Unterteilung erfolgt in Strömungsrichtung der Luft und gestaltet
sich folgendermaßen.
Der erste Abschnitt ist der Einlaufbereich. Dieser reicht bis kurz vor das
Schaufelmodell und beinhaltet die mit der neuen Konstruktion verbundenen
Änderungen an der Beruhigungskammer und den eigentlichen Einlaufbereich der
Messkammer. Der zweite Teil umfasst die Messstrecke im unmittelbaren Bereich
um die Schaufel. Der kurz hinter der Schaufel beginnende Nachlaufbereich
einschließlich des neuen Diffusors ist der dritte Abschnitt der Messkammer. Die
Konstruktion, sowie die Herstellung und Instrumentierung der Schaufel werden im
Anschluss daran gesondert vorgestellt.
Vor der eigentlichen Konstruktionsbeschreibung soll an dieser Stelle zuerst noch
erwähnt werden, dass wenn von der Innenseite und der Außenseite der Messstrecke
die Rede ist, mit der Innenseite die in Strömungsrichtung der Luft links gelegene
Seite, von der Messkammermitte aus, gemeint ist und mit Außenseite, die
dementsprechend rechte Seite in Strömungsrichtung gesehen. Es hat sich während
der Konstruktion und des Aufbaus zur einfacheren Kommunikation untereinander
so eingebürgert, die von dem Messkammerwinkel eingeschlossene Seite
als innen zu bezeichnen, und aus diesem Grund soll das hier beibehalten werden.
26

Abbildung 16 Unterteilung der Messstrecke: Einlaufbereich(gelb), Mittelteil(grün), Nachlaufbereich(blau)
3.1 Einlaufbereich
Die Beruhigungskammer hat die Aufgabe, eine möglichst drallfreie, turbulenzarme
und homogene Strömung zu gewährleisten. Dazu besteht sie im Inneren aus einem
Aluminiumgleichrichter in Honeycompbauweise, mehreren Turbulenzsieben
und einer Düse zum gleichmäßigen Reduzieren des Strömungsquerschnittes auf
den Eintrittsquerschnitt der Messstrecke. Der Aluminiumgleichrichter dient dazu,
die Strömung drallfrei zu machen und einen Temperaturausgleich der eintretenden
Luft zu bewirken.
Die Turbulenzsiebe reduzieren durch ihren Strömungswiderstand die Geschwindigkeitsschwankungen
in der Strömung, sie haben einen Drahtdurchmesser
d = 0,14 mm und eine lichte Maschenweite w = 0,4 mm.
Ausgehend von diesen Daten kann eine offene Siebfläche F o der Siebe berechnet
werden.
F o
2
w
= t
2
× 100
F
0
= 54,8%
t = w + d = Siebteilung (mm)
In ihrer bisherigen Verwendung stand die Beruhigungskammer des Windkanals
so, dass der Austrittsquerschnitt eine Breite von 700 mm und eine Höhe von 400
mm hatte. Das war für die neue Messkammer so nicht verwendbar. Es bestand
27

zum einen die Möglichkeit, die Düse in der Beruhigungskammer zu entfernen und
eine neue zu bauen, welche einen für die neue Messstrecke passenden Austrittsquerschnitt
hat. Die zweite Möglichkeit war, die Beruhigungskammer um 90° zu
drehen und somit den Austritt auf eine Breite von 400 mm und eine Höhe von 700
mm zu bringen. Sowohl in Breite, als auch in Höhe überschreitet dieser Wert die
für die Messkammer erforderlichen Abmaße. Während eine größere Höhe von
Vorteil war, weil dadurch der Bereich der linearen Strömung höher wird, und ein
höheres Schaufelmodell eingesetzt werden kann, so war die unpassende Breite
ein Problem, welches durch weitere konstruktive Maßnahmen beseitigt werden
musste.
Der Eintrittsquerschnitt der Messstrecke ist schmaler als 400 mm und unterliegt
zudem gewissen Variationen beim Schwenken der Messkammer. Nach der erfolgreichen
Drehung wurde der Austritt der Beruhigungskammer gekürzt und neue
Seitenwände angebracht. Diese Seitenwände sind mit den feststehenden, verkürzten
Wänden der Beruhigungskammer durch ein schmales Metallscharnier
verbunden und somit um diesen Befestigungspunkt schwenkbar. Damit beim
Schwenken keine Lücken zwischen den Seitenwänden und dem Deck- sowie Bodenteil
entstehen, wurden diese auch neu konstruiert um jederzeit den Austrittsbereich
der Beruhigungskammer voll abzuschließen. Der Nachteil der verstellbaren
Seitenwände ist, dass diese nun nicht mehr völlig dicht mit dem feststehenden
Deck- und Bodenteil abschließen. Das heißt, wenn die Seitenwände in die Position
gebracht wurden, in der sie die nächste Zeit für verschiedene Messungen
verbleiben, müssen sie von außen her abgedichtet werden.
Das Dichtmaterial sollte sich leicht auftragen lassen. Es muss gut in Kanten, E-
cken und Spalten eindringen, um diese zu dichten. Dabei muss es sich aber auch
einfach wieder entfernen lassen, für den Fall, dass die Seitenwände erneut verstellt
werden. Diese aufwendige Variante des Abdichtens nach jeder Veränderung
der adaptiven Wände war die konstruktiv und finanziell günstigste Variante gegenüber
selbstdichtenden Materialien oder konstruktiven Sonderlösungen.
Jetzt musste eine Methode gefunden werden, die es erlaubt, die schwenkbaren
Seitenwände in jeder beliebigen Position zu fixieren und dabei in sehr feinen
Schritten verstellbar zu belassen. Dazu wurden auf den Seitenwänden und auf der
Beruhigungskammer jeweils vier Gewindestäbe angebracht und mit Hilfe von je
zwei Schraubspannern pro Seite verbunden. Durch Drehen dieser Schraubspan-
28

ner ist jederzeit ein Verstellen der Seitenwände möglich, mit gleichzeitigem Fixieren
auf der jeweiligen Position. Da bei Betrieb des Kanals ein Unterdruck im Inneren
entsteht, ist die Fixierung mit Hilfe der Gewindestäbe nur von Außen nötig und
behindert nicht die Strömung im Inneren des Kanals.
An die Beruhigungskammer schließt sich der Einlauf der Messstrecke an. Zum
Einlauf zählt der gesamte schwenkbare Teil zwischen der Beruhigungskammer
und dem Beginn des Schaufelmodells. Die Verbindung der Seitenwände von Beruhigungskammer
und Einlauf gestaltete sich etwas kompliziert. Unter Berücksichtigung,
dass beim Schwenken des Einlaufs die Seitenwände Ihre Länge ändern,
musste eine Konstruktion gefunden werden, die diese Längenänderung ausgleicht.
Die Möglichkeit hierfür war entweder an der Verbindung zur Beruhigungskammer
oder an der Verbindungsstelle zwischen Nachlauf und Diffusor gegeben.
Da es konstruktiv einfacher war, fiel die Wahl darauf, den Längenausgleich an der
Verbindungsstelle zur Beruhigungskammer konstruktiv zu bewältigen. Dazu bekamen
die schwenkbaren Seitenwände der Beruhigungskammer eine lange Fase
auf der Außenseite. An dieser Fase liegt eine 2,5 mm dünne Polycarbonatwand
an, welche mit der stärkeren Seitenwand des Einlaufs fest verbunden ist. Die Polycarbonatwand
steht entsprechend weit über die Verbindungsstelle zur Beruhigungskammer
heraus, dass sie beim Schwenken über den vorgegebenen Winkelbereich
nie den Kontakt verliert. Um diese Verbindungsstelle abzudichten, werden
die Polycarbonatwände mit Spannern auf die Seitenwände der Beruhigungskammer
aufgedrückt. Zusätzlich wird auch noch weiches Dichtmaterial wie zum Beispiel
Moosgummi auf die Fase der Beruhigungskammerwand aufgeklebt, um die
Dichtwirkung zu verbessern.
29

Abbildung 17 Skizze der Seitenwandverbindung BK/Einlauf
Bei den Wandmaterialien für den Einlaufbereich wurden zum einen Polycarbonat
für die Außenwand und das Bodenteil und zum anderen Schaltafeln für die Innenwand
und das Deckteil verwendet. Die Wahl des Holzmaterials fiel deshalb auf
beschichtete Schaltafeln, weil sie eine sehr glatte Oberfläche haben, was gut für
die Strömungsverhältnisse im Kanal ist und weil sie leichter und belastbarer sind
als Pressspanplatten vergleichbarer Stärke. Verwendet werden ausschließlich
Schaltafeln von 18 mm Wandstärke. Bei dem Polycarbonat wurde für das Bodenteil
eine Materialstärke von 20 mm und für die Seitenwand eine Materialstärke von
15 mm gewählt. Polycarbonat bekam bei dieser Konstruktion den Vorzug vor Polymethylacrylat
(Acrylglas), weil es elastischer ist, bei gleich guten optischen Eigenschaften.
(Lichtdurchlässigkeit 90%, Brechungsindex 1,584)
Die Seitenwände sind auf der Seite zur Beruhigungskammer hin mit einer Einfräsung
versehen, in der die 2,5 mm starken Polycarbonatplatten zum Längenausgleich
eingebracht sind. Die Verbindung zwischen den Polycarbonatplatten und
den Seitenwänden ist auf der Innenseite des Kanals bündig und die Platten sind
von innen mit Senkkopfschrauben verschraubt. Die gleiche Verbindung besteht
auf der Seite zum Messkammermittelstück beim Übergang zu den adaptiven Polycarbonatwänden
im Schaufelbereich. Die Wände des Einlaufs sind nicht fest mit
dem Boden und dem Deckteil verbunden, damit auch sie einen gewissen Grad an
Adaptivität beibehalten, da sie sich beim Schwenken nach vorn und hinten verschieben
werden. Die Abdichtung erfolgt auch hier mit Hilfe von Flüssiglatex oder
ähnlichem Material, wenn die gewünschte Position erreicht ist. Die Adaptivität dieser
beiden Seitenwände beläuft sich darauf, dass sie im Ganzen nach außen und
innen versetzt und dort fixiert werden können. Die Adaption erfolgt mit Hilfe von
30

Schnellspannern, wie sie beim Abhängen von Zwischendecken verwendet werden.
Diese haben den Vorteil, dass sie ohne Werkzeug und stufenlos verstellt
werden können. Die Schnellspanner sind an dem tragenden Metallrahmen befestigt,
der an zwei Stellen den Einlauf komplett umschließt.
Der gesamte Einlaufbereich der Messkammer wird von einer Rahmenkonstruktion
aus Metall gehalten, welche auf dem Boden durch einen höhenverstellbaren Fuß
und auf dem Wagen der Beruhigungskammer durch einen festen Fuß abgestützt
ist. Der Metallrahmen besteht aus einem zentralen U80x45, das den Boden des
Einlaufs trägt und an welches an sechs Stellen kurze U-Profile U50x35 angeschweißt
sind. Zwei von diesen U50 Profilen dienen zum Abstützen des Hilfsrahmens.
Das zentrale U80-Profil kann rein rechnerisch eine Last von 218 kg tragen bevor
es sich bei einer Stützweite von etwa 2 m um 1 mm weit durchgebogen hat. Die
Wandteile (Boden, Deckel, Seitenwände) im Einlaufbereich wiegen zusammen
etwa 53 kg. Damit ist es zum Tragen des Einlaufes zwar überdimensioniert doch
wird dadurch eine Durchbiegung auf Minimum reduziert, selbst wenn zu einem
späteren Zeitpunkt noch zusätzliche Anbauten an den Kanal erfolgen.
Abbildung 18 vereinfachte Darstellung des Lastfalls am Hilfsrahmen
F
384 ∗ E ∗ I ∗ f
5∗l
= E =
3
2
F = 2136, 96N
210000 mm
N
4
I = 106cm
f = 1mm
l = 2m
F
m
m = g = 8,0665
2
g
s
31

m = 217, 909kg
Die umfassenden Arme bestehen aus L-Profilen L40x4 welche senkrecht an den
verbleibenden U50-Profilen festgeschweisst werden. Am oberen Ende sind die
senkrecht stehenden L-Profile mit dem sie waagerecht verbindenden
L-Profil L40x4 über Verstellschrauben verbunden, die dazu dienen während des
Adaptierens die Seitenwände zu entlasten und danach zur besseren Abdichtung
die selbigen unter Druck zu stellen. Dafür ist das Deckteil an den waagerechten
L-Profilen festgeschraubt, genauso wie auch das Bodenteil an den tragenden
U-Profilen festgeschraubt ist.
Abbildung 19 Hilfsrahmen Einlaufbereich als 3D-Modell
Die Verbindung an Boden- und Deckteil von Beruhigungskammer zum Einlauf besteht
aus eingefrästen Nuten. Mit Hilfe dieser werden die Deckel- und Bodenteile
ineinander gelegt und dann abgedichtet.
Messtechnisch gesehen, muss im Einlaufbereich die Möglichkeit für eine Traversierung
mit einer Fünflochsonde vorhanden sein. Die Sonde soll von oben den
32

Einlauf in einem bestimmten Winkel durchtraversieren. Dafür ist ein Traversierbrett
vorgesehen. Dieses Brett ist entlang der Traversierebene verschiebbar. Es liegt
auf beiden Seiten in einer Nut auf den angrenzenden Deckelteilen auf. Um eine
ausreichende Abdichtung und auch Beweglichkeit des ebenso, wie die Einlaufdeckel,
aus Schaltafeln bestehenden Traversierbrettes zu gewährleisten, wird die
Lauffläche mit leicht gleitenden Fetten präpariert. In der Mitte des Brettes befindet
sich eine mit einem Gummiring abgedichtete Bohrung, durch welche die Sonde
geführt wird, so dass sie höhenverstellbar ist und ausgewechselt beziehungsweise
entfernt werden kann. Da aber selbst bei präzisester Abdichtung immer noch die
Gefahr besteht, dass dieses Traversierbrett an einer Stelle nicht richtig dicht ist
(Gewährleistung der Beweglichkeit während des Betriebes), kann nach Abschluss
der Messungen an dieser Stelle das Deckteil durch ein komplettes Deckteil ohne
Traversierbrett ersetzt werden. Damit wird die größtmögliche Dichtheit wieder gewährleistet.
3.2 Mittelteil
Im unmittelbaren Bereich um die Schaufel bestehen die vollständig adaptierbaren
Seitenwände aus 2,5 mm starkem Polycarbonat. Die Verwendung von solch dünnem
Material war an dieser Stelle notwendig, weil der minimale zu erreichende
Biegeradius sehr klein ist. Er beträgt bei dem kleinsten Öffnungswinkel der Messkammer
14mm. Um eine Ausbeulung dieser dünnen Wände über die 700 mm Höhe
zu verhindern, wurden an den Stellen, wo sie von den Adaptoren gehalten
werden, schmale Polycarbonatstäbe aufgeklebt. Diese Stäbe sind an der Klebefläche
10 mm breit und 500 mm hoch. Außerdem sind sie 20 mm dick. Sie sollen
die Biegesteifigkeit der Polycarbonatwand erhöhen und die Kontaktfläche zwischen
Wand und Traversierstab vergrößern damit höhere Kräfte übertragen werden
können. Die Stabilisierungsstäbe sind deshalb aus Polycarbonat, weil sich
Polycarbonat am besten mit sich selbst verkleben lässt. Da die Klebestellen stark
beansprucht werden, durch die Biegung der Polycarbonatwand und das Traversieren,
musste die höchstmögliche Verbindungssicherheit gewährleistet werden.
Die Adaptierung in diesem Bereich erfolgt durch verschraubte Gewindestäbe. Die
Gewindestäbe sind an Itemprofilen befestigt, die in einem Abstand von etwa
33

100 mm annähernd dem Verlauf der adaptiven Wand folgen. Für die Montage und
zum Schwenken des Einlaufs können die Traversierstäbe aus den Itemprofilen
ausgehängt werden. Damit das nicht passiert, wenn die Stäbe unter Last stehen,
werden die Halterungen für die Traversierstäbe auf den Itemprofilen festgeschraubt.
Die Halterungen sind L-Winkel mit einem Innengewinde, in dem der
Gewindestab steckt und einer Bohrung in dem anderen Schenkel, mit der sie auf
den Itemprofilen festgeschraubt sind.
Diese Möglichkeit zum Adaptieren wurde aus folgenden Gründen gewählt:
Bei den verschiedenen Systemen zum Adaptieren von Wänden, galt es eines zu
finden, welches den Anforderungen genügt, einfach montierbar ist, da wir den Kanal
selbst aufbauen, und wenn möglich auch noch preiswert ist. Es galt abzuwägen,
was die adaptiven Wände und die dazugehörenden Adaptoren leisten müssen.
In unserem Fall wird das einmal fertig eingestellte Druckprofil über einen
längeren Zeitraum hinweg, bis die Messungen einer Anströmkonfiguration abgeschlossen
sind, nicht geändert. Es war also nicht notwendig, ein System zu wählen,
welches ein häufiges oder sogar Realzeit-Computergesteuertes Ändern, wie
es an der Universität in Berlin eingesetzt wird, ermöglicht. Auch bei der Form der
Adaptoren konnte durch diesen Fakt eine Vorauswahl getroffen werden. Jedoch
spielte bei diesen auch der Platzbedarf und die Kraft, welche die Adaptoren aufbringen
müssen, eine Rolle.
Auf der Innenseite des Winkels ist bei dem kleinsten einzustellenden Anströmwinkel
nur sehr wenig Platz um die Adaptoren unterzubringen. Der Radius der adaptiven
Wand beträgt dann 14 mm. Jedoch musste, um ein möglichst genaues Einstellen
des Druckprofils zu ermöglichen, die Anzahl der Adaptoren auch auf der
Innenseite recht hoch sein. So fielen bei den Adaptoren diejenigen mit platzraubenden
Stellmotoren oder anderen aufwendigen Verstellmechanismen, wie Exemplare
mit angebrachten Kurbeln und Stellrädern, weg. Durch die geringe Stärke
der adaptiven Wand, waren des weiteren keine Adaptoren nötig, die sehr starke
Kräfte aufbringen können, wie zum Beispiel Hydraulik- oder Pneumatikzylinder.
Die Wahl fiel deshalb auf sehr einfache, von Hand zu verstellende und platzsparende
Gewindestangen, welche am Ende mit einer Mutter, zum Aufsetzen eines
Steckschlüssels, versehen sind. Dadurch wird zum Verstellen die Benutzung eines
Schraubwerkzeuges mit der passenden Schlüsselweite möglich, welches nicht
bereits auf den Gewindestangen befestigt ist und so Platz sparen hilft. Die Muttern
34

werden nach Einbau des Adaptors hartgelötet und somit auf der Gewindestange
fixiert.
Nun mussten die Gewindestangen mit den aufgeklebten Polycarbonatstäben verbunden
werden. Dazu wurden die Stäbe mit Zweikomponentenklebstoff in ein
Aluminium U-Profil geklebt. Danach wurden noch vier Schrauben durch das
U-Profil und den Polycarbonatstab geschraubt, um die Verbindung zu sichern. Auf
das U-Profil wurden mit dem gleichen Komponentenklebstoff zwei schmale Aluminiumplatten
aufgeklebt. In diesen war eine Bohrung angebracht, in der ein Schäkel
aus Aluminium eingehängt wurde. An diesen Schäkeln sind die freien Enden der
Gewindestangen befestigt. Sie wurden durch das Ende des Schäkels durchgesteckt
und dann platt geschmiedet, damit sie nicht wieder aus diesem herausrutschen
können. So sind die Gewindestangen dreh- und schwenkbar im Schäkel
befestigt. Damit auf diese Verbindung nicht nur Zug- sondern auch Druckkräfte
aufgebracht werden können sind gleich hinter dem Schäkel auf der Gewindestange
zwei gekonterte Muttern aufgeschraubt.
Abbildung 20 Skizze der Verbindungsstelle von Adaptor und adaptiver Wand
Die Verwendung von Aluminiumbauteilen war an dieser Stelle von Vorteil, weil die
große Anzahl der so präparierten Adaptoren die Verwendung von schwereren Materialien,
wie Stahl und ähnlichem, aus Gewichtsgründen ausschloss. Aus Festigkeitsgründen
musste dennoch auf Metall als verbindendes Material zurückgegriffen
werden.
Wie im Einlaufbereich besteht der Boden des Messkammermittelstücks aus einer
20 mm starken Polycarbonatplatte. Der Deckel besteht wiederum aus 18 mm star-
35

ken Schaltafeln. Da im unmittelbaren Bereich der Schaufel eine Traversierung mit
Hitzdrahtsonden durchgeführt werden soll, sind für diese Sonden Durchbrüche in
der Messkammerdecke erforderlich. Um eine bessere Dichtwirkung zu erhalten,
existieren mehrere Deckelteile. Eines davon ist mit dem Sondendurchbruch für die
Hitzdrahtsonden versehen, die anderen nicht. Wenn keine Messungen mit den
Hitzdrahtsonden erfolgen, wird das entsprechende Deckelteil durch ein geschlossenes
ersetzt. So kann der Sondendurchbruch nicht die Dichtheit oder die Strömung
im Kanal beeinflussen. Im Deckel und in dem Bodenteil sind Ausschnitte in
Schaufelform eingebracht. Diese Ausschnitte sind etwas größer als die Abmaße
der Schaufel. Die Verbindung und Abdichtung dieser beiden Teile mit der Schaufel
erfolgt über auf der Schaufel befestigte Dichtringe. Die Schaufel lässt sich am
Stück nach oben aus der Messkammer herausziehen. Die Führung der Schaufel
beim Herausnehmen und Einsetzen übernehmen zwei Präzisionsmetallstangen,
welche an einem festen Punkt auf dem Hilfsrahmen des Messkammerbodens fixiert
sind. Dazu musste ein Stück des Hilfsrahmens direkt unter die Schaufel geführt
werden. In den später noch erläuterten Innenrippen der Schaufel sind die
Gleithülsen für die Metallstangen befestigt. Das Herausnehmen der Schaufel ist
für verschiedene Messverfahren nötig. Es musste gewährleistet werden, dass es
mit geringem Zeitaufwand geschieht und nicht die Gefahr besteht, dass die
Schaufel dabei irgendwo anstößt oder sich verklemmt.
Die Verbindung zwischen Mittelteil und Einlauf geschieht bei Boden- und Deckteil
durch direkten Kontakt von zwei Kreisausschnitten, die bei einer Schwenkung aufeinander
gleiten und in jeder Position an allen Stellen den Boden und den Deckel
der Messkammer geschlossen halten. Um Fertigungstoleranzen auszugleichen,
befindet sich an den nach außen gewölbten Kreisausschnitten eine Nut, in die eine
Runddichtschnur eingeklebt wurde. Diese soll für den Fall, dass die beiden
Kreisausschnitte nicht über den gesamten Bereich identisch sind, die Dichtheit
gewährleisten.
Damit beim Schwenken des Einlaufs dieser auch um den Drehpunkt dieses Kreises
schwenkt, wurde der Drehpunkt fixiert. Auf dem Hallenboden ist ein kurzes
Stück U80x50 festgeschraubt, an dessen Ende sich ein drehbarer Metallbolzen
befindet. Mittels dieses Bolzens wird die Lage des Drehpunktes definiert. Damit
die Drehung des gesamten Einlaufs inklusive Beruhigungskammer um diesen
Punkt erfolgt, ist an dem Metallbolzen ein Dreharm eingehangen, der fest mit der
36

Beruhigungskammer verbunden ist. Dadurch kann die Beruhigungskammer und
der mit ihr verbundene Einlauf nur auf der von dem Dreharm beschriebenen
Kreisbahn bewegt werden.
Getragen wird das Mittelteil von einer Schweißkonstruktion aus U-Profilen auf denen
es nur mit dem Rand aufliegt. Da die Unterseite dieses Abschnittes beste Bedingungen
für optische Messverfahren bieten muss, darf nur das notwendigste an
nicht lichtdurchlässigem Material dort verwendet werden. Wenn eine Verwendung
solcher Materialien wie Metall oder Holz erforderlich ist, dann sollte das nur an
nicht beeinträchtigenden Stellen erfolgen. Nur ein schmales, aus U-Profilen zusammengesetztes
Stück verbindet die beiden Arme der tragenden Schweißkonstruktion
genau unter der Schaufel hindurch. Auf dieser Verbindung werden die
Führungsstangen befestigt. Auf den tragenden U-Profilen steht ein senkrechter
Arm aus einem U-Profil, welcher zwei Aufgaben hat. Er hält zum einen die die
Messkammer umgebenden Halterungen für die Adaptoren, und zum anderen trägt
es die waagerechte Strebe, an der die Führungsstangen enden. Diese sind etwa
800 mm über dem Messkammerdeckel angebracht damit die Schaufel in ihrer
kompletten Länge aus der Messkammer gezogen werden kann, bevor sie die
Strebe erreicht.
Abbildung 21 Abmaße des Hilfsrahmens unter dem Mittelteil mit Position der Modellschaufel
37

3.3 Nachlaufbereich
An der Verbindungsstelle von Mittelteil und Nachlauf sind sowohl das 18 mm starke
Deckteil aus Schaltafel, als auch das 20 mm starke Bodenteil aus Polycarbonat
auf Stoß angesetzt. Die Stoßfuge wird dann ebenfalls wieder strömungsgünstig
abgedichtet. Wie bereits beim Einlauf, besteht auch im Nachlauf die Innenwand
aus Schaltafeln und die Außenwand aus 15 mm dickem Polycarbonat. Ebenfalls
wie im Einlaufbereich ist hier die Verbindung der Seitenwände mit den 2,5 mm
dünnen adaptierbaren Wänden aus dem Mittelteil gestaltet. Identisch ist gleichfalls
die Gestaltung der Adaptoren im Nachlaufbereich in Form von Schnellspannern an
den Seitenwänden. Der gesamte Nachlauf wird von einem umfassenden Metallrahmen
getragen. Dieser Rahmen hat an der Seite zum Diffusor, ebenso wie der
Diffusor selbst, einen Flansch aus Metallprofilen, mit denen diese beiden Baugruppen
verbunden werden. An der Seite zur Mittelteil hin ist eine Umfassung aus
L-Profilen angebracht, an der die erste Hälfte der Schnellspanner befestigt ist. Die
anderen Schnellspanner sind an dem Metallflansch zum Diffusor hin angebracht.
Das Deckteil ist festgeschraubt an den waagerechten L-Profilen, welche die Umfassung
am oberen Ende schließen. Diese sind über Schrauben höhenverstellbar
ausgeführt und bieten so die Möglichkeit, wie bereits beim Einlauf, den Deckel
zum besseren Abdichten auf die Seitenwände aufzupressen und zum
Adaptieren die Seitenwände zu entlasten.
38

Abbildung 22 Hilfsrahmen Nachlaufbereich als 3D-Modell
Im Nachlauf ist eine Traversierung mit pneumatischen Sonden und mit Hitzdrahtsonden
gefordert. Die zuerst favorisierte Methode, auch hier wie im Einlaufbereich
mit den Sonden von oben zu Traversieren, musste an dieser Stelle leider aufgegeben
werden. Der Grund dafür war die zu hohe Strömungsversperrung. Der Kanalinnenquerschnitt
hat sich bis zu dieser Stelle auf ein Maß von 1050 cm 2 verringert.
Da der Kanal aber innen immer noch 700 mm hoch ist (er ist
dementsprechend nur noch 150 mm breit), wäre es nötig, die Sonden sehr tief
einzutauchen. Der mit einzutauchende Sondenschaft würde in diesem Fall die
Strömung im Kanal zu 6,5% blockieren. Damit würde die zulässige Versperrung
von 5% überschritten, und es musste eine andere Lösung gefunden werden. Eine
Möglichkeit wäre, die hier erforderliche Traverse von der Seite her durchzuführen.
Dies jedoch ist nur mit einer konstruktiv sehr aufwendigen Lösung für die entsprechende
Seitenwand oder mit einer neuen Sonde, mit schwenkbarem Kopf, möglich
gewesen. Das Problem hierbei ist, dass die Traversierebene in einem sehr
schrägen Winkel durch den Nachlauf führt, aber die Sondenköpfe immer in Strömungsrichtung
stehen müssen, um möglichst genaue Messwerte zu liefern. Zwar
kann man einen gewissen Winkel an Fehlanströmung bei den Fünflochsonden
herausrechnen, aber nicht in diesem Ausmaß, wie es für unsere Fälle nötig gewesen
wäre. So blieb nur noch die Variante, im Nachlauf sowohl von oben, als auch
39

von unten bis zur Mitte zu Traversieren, um die Strömungsversperrung auf einen
akzeptablen Wert von maximal 3,3% zu senken.
Abbildung 23 Nachlauf und neuer Diffusor als Pro-Engeneer Modell
Der an den Nachlauf anschließende neue Diffusor besteht nur aus Schaltafeln.
Boden- und Deckteil, sowie die Seitenwände sind auf Stoß mit dem Nachlauf verbunden
und werden wie schon beschrieben abgedichtet. Der Diffusor wird mit dem
Hilfsrahmen des Nachlaufs und mit dem nachfolgenden Diffusor mit Hilfe von Metallflanschen
verbunden. Der Flansch zum nächsten Diffusor besteht aus L-
Profilen L 40x4 und der Flansch zum Nachlauf aus senkrechtstehenden U-Profilen
U 50x30 und waagerechten L-Profilen L 40x4. Die Seitenwände des Diffusors sind
im vorderen Teil, an der Verbindungsstelle zum Nachlauf, adaptierbar und am anderen
Ende, an der Verbindungsstelle zum nächsten Diffusor, beweglich gelagert.
Dadurch ändert sich beim Adaptieren des Nachlaufs der Diffusorwinkel des neuen
Diffusors. Dies ist notwendig, um die Verschiebung der Seitenwände des Nachlaufs
mit den feststehenden Wänden des nachfolgenden Diffusors auszugleichen.
40

Das Adaptieren erfolgt mit Hilfe von an dem Flansch zum Nachlauf angebrachten
Schnellspannern. Der neue Diffusor wird an der Verbindungsstelle zum Nachlauf
auf dem gleichen höhenverstellbaren Metallfuß wie der Nachlauf selbst abgestützt
und an der Verbindungsstelle zum nächsten Diffusor durch den Metallflansch getragen,
welcher die beiden Diffusoren verbindet .
Der Diffusor hat auf seiner Gesamtlänge von 2 m einen maximalen Öffnungswinkel
von Φ=7,15°.
3.4 Herstellung der Schaufel
Zum besseren Verständnis der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung des
Herstellungsprozesses wird die Herstellung der Schaufel in 5 Arbeitsschritte geteilt.
1. eine Negativform der Schaufel fertigen
2. Gipsmodelle der Schaufel gießen
3. Schaufelmodell herstellen
4. Negativhalbformen der Schaufel aus GFK laminieren
5. Schaufelhälften aus GFK laminieren
Wie in der Kurzbeschreibung angedeutet, wurde von dem vorgegebenen Turbinenschaufelprofil
RB102 zuerst einmal in Originalgröße eine Negativform hergestellt.
Dazu wurde die CAD-Datei des Schaufelprofils an eine Laserschneidanlage
zum Ausschneiden aus Stahlblech weitergegeben. Mit Hilfe dieser Schablone aus
Stahlblech wurde eine Negativform der Schaufel aus 55 mm starkem MDF hergestellt.
Zur besseren und einfacheren Bearbeitung der Form wurde die MDF- Negativform
in mehrere Teile zerlegt.
Diese MDF-Form wurde als Gießform zum Herstellen von 55 mm hohen Schaufelabbildern
aus Gips verwendet. Dazu wurden die Formteile gewachst, damit sie
besser entformbar sind und auf einem ebenfalls gewachsten Untergrund fixiert.
Auf diese Weise wurden 15 dieser Gipsschaufelabbilder hergestellt.
41

Abbildung 24 MDF-Negativform mit Gipsmodellschaufel
Nachdem die Gipsschaufeln ausgehärtet waren, wurden in diese an fest definierten
Stellen 3 Bohrungen, entsprechend der Schaufelstärke von 60, 40 und 20 mm
Durchmesser eingebracht. Danach wurden 13 der Gipsschaufeln übereinander zu
einer einzigen 715 mm hohen Schaufel übereinander gestapelt. In die Bohrungen
wurden Gewindestangen eingefügt. Die verbliebenen Freiräume in den eingebrachten
Bohrungen wurden zum endgültigen Verbinden der Einzelteile mit Gips
ausgegossen. An den beiden Enden wurden mit Hilfe der Gewindestangen jeweils
eine der Blechschaufelformen und ein MDF-Schaufelprofil als Maßgarant befestigt.
42

Abbildung 25 verbundene Gipsmodellschaufel
Nun konnte die Oberflächenvergütung des Schaufelmodells beginnen. In mehreren
dünnen Schichten wurde zuerst Gips und danach Feinspachtel aufgetragen
und geschliffen, um die erforderlichen Abmaße und eine bessere Oberflächengüte
zu erreichen. Abschließend wurde die Schaufel mehrfach lackiert und die Oberfläche
poliert und gewachst. Während dieser Arbeitsschritte wurde die Formtreue der
Gipsschaufel ständig anhand der Blechschablonen überprüft und garantiert.
3.4.1 GFK Negativform
Da die endgültige Schaufel eine GFK-Konstruktion sein sollte, musste nun mit Hilfe
dieser Gipsschaufel eine Negativform zum Laminieren hergestellt werden. Der
Einfachheit halber beschlossen wir, diese Negativform ebenfalls aus GFK herzustellen.
Um die laminierten Teile später wieder problemlos von der Form trennen
zu können, war eine weitere Oberflächenvergütung der Gipsschaufel erforderlich.
Diese erfolgte in Form von nochmaligen Polierschritten, sowie dem Auftragen von
mehreren Schichten Wachs, um die Oberfläche zu glätten. Jetzt wurde auf dieser
Schaufel eine Negativform aus GFK laminiert. Die Saugseite und die Druckseite
wurden getrennt laminiert, um sie besser handhaben und weiterverarbeiten zu
können. Das Laminieren der Form setzte sich aus folgenden Schritten zusammen.
43

Es wurde die günstigste Stelle ermittelt, an welcher die Trennung der Schaufel
erfolgen soll. Denn es wäre nicht möglich gewesen, die Schaufel als Ganzes zu
laminieren, dann erfolgreich zu entformen und erneut zu laminieren. An den
Trennstellen wurden Begrenzungen in Form von senkrecht stehenden Aluminiumschienen
angebracht, die ein problemloses Laminieren bis an diese Trennstelle
erlaubten. Nun wurde der Laminierbereich mit bis zu 7 Schichten Trennwachs versehen,
damit sich die Form auch wieder entformen lässt. Der nächste Schritt war
das Auftragen von Formenharz auf die Schaufel. Das Formenharz bildet später die
Oberfläche der neuen Schaufelform und es ist daher bei diesem Arbeitsschritt
sehr genau darauf zu achten, dass der Auftrag ohne Fehlerstellen, wie Lunker o-
der Riefen, und mit gleichmäßiger Schichtdicke erfolgt. Damit das Formenharz
auch auf der nach oben gewölbten Fläche hält und nicht nach dem Verstreichen
verläuft, musste es mit einer hohen Konsistenz angerührt werden, was den eben
genannten Punkten der Fehlerfreiheit natürlich entgegenwirkt. Als Andickungsmittel
wurde laut Herstellerempfehlung Thixotropiermittel verwendet. Dieses zu feinen
Flocken zerkleinerte Mittel, welches hauptsächlich aus amorpher Kieselsäure und
HD-Polyethylenfibrid besteht, verklumpt nicht beim Einrühren und ist farblos.
Durch seine geringe Dichte von 1,55 g/cm 3 verursacht es auch keinen großen
Gewichtszuwachs bei dem Harz und kommt somit der angestrebten Leichtbautechnik
zu gute, da es auch später beim Laminieren der eigentlichen Modellschaufel
verwendet wurde. Direkt auf das Formenharz wurde dann die erste Schicht des
Glasfasergewebes auflaminiert. Ingesamt wurden 2 Schichten sehr dünnes Glasfilamentgewebe
mit einem Gewicht von 80g/m 2 und darüber 4 Schichten stärkeres
Glasfilamentgewebe von 150 g/m 2 Gewicht laminiert, so dass eine Gesamtstärke
der GFK-Form von etwa 3 mm, inklusive dem Formenharz, erreicht werden konnte.
Den Abschluss bildete danach eine Glasfasermatte, die mit Laminierkeramik
getränkt war. Dadurch wurde zwar das Gewicht beträchtlich erhöht, aber diese 10
mm hohe Schicht aus CFK und Keramik versteifte die Form deutlich und das war
für die Laminiervorlage wichtig, damit sie später beim Entformen der endgültigen
Schaufelteile ihre Abmaße beibehält und somit mehrere identische Schaufeln hergestellt
werden können. Dieselben Laminierarbeitsschritte wurden nun auch für
die 2. Hälfte der Schaufel angewandt.
44

3.4.2 Schaufelteile
Diese beiden GFK-Negativformen dienten nun dazu, ein Schaufelmodell, bestehend
aus 2 einzelnen Hälften, zu laminieren. Die benutzte Laminiertechnik war
hierbei dieselbe, wie zuvor beim Herstellen der Form beschrieben, nur mit dem
Unterschied, dass die keramikgetränkten Glasfasermatten wegfielen. Um aber
dennoch eine, für weitere Bearbeitung brauchbare Stärke der Schaufelteile zu
erreichen, ohne sie unnötig schwer zu machen, wurde 3 mm starke Aramidwabe
aufgeklebt. Dieses sehr leichte, aber senkrecht zur Wabenrichtung sehr belastbare
Gewebe wurde direkt auf die letzte Schicht Kunstharz aufgelegt und mit Hilfe
von Vakuum 24 Stunden lang aufgepresst. Zu diesem Zweck wurde die gesamte
frisch laminierte Schaufel mit einem Rand von elastischer Dichtmasse umgeben.
Darauf wurde eine luftdurchlässige Gewebeschicht aufgelegt, die die dann darüberliegende
Vakuumfolie vor Beschädigungen schützt. In dieser Vakuumfolie war
das Ventil zum Anschluss an eine Vakuumpumpe eingebettet. Die Abdichtung erfolgte
durch die elastische Dichtmasse rund um das Modell. Nach Ende der Anpressung
durch den Unterdruck wurde die laminierte Schaufel entformt.
Abbildung 26 Vakuumbehandlung der laminierten Schaufelteile
45

Da die Schaufel größer laminiert wurde als erforderlich, konnte sie anschließend
auf das gewünschte Maß gekürzt werden und erhielt so saubere Abschlusskanten.
An den Stellen, an denen der Abschluss der Schaufel ist und dort, wo später die
Druckmessbohrungen eingebracht werden sollten, wurden die Aramidwaben, etwa
5cm breit, mit Laminierkeramik ausgegossen, um eine höhere Festigkeit und eine
größere Materialstärke für Bohrungen und Verschraubungen zu erreichen. Nachdem
die beiden Hälften auf die gewünschte Länge gebracht waren, wurden sie mit
Hilfe von Innenrippen wieder zu einer kompletten Schaufelkontur zusammengefügt.
Die hierbei verwendeten Innenrippen wurden aus einer 10 mm starken PVC-
Platte herausgesägt. Als Vorlage verwendeten wir wiederum die Schaufelkontur,
aber abzüglich der 5 mm Wandstärke des nun laminierten Schaufelteils. Die Innenrippen
konnten auf die Halbschaufel von innen aufgesetzt und mit Kunstharz
darauf befestigt werden. Um eine gewisse Stärke der Verbindungsstelle und eine
ausreichende Konsistenz des Kunstharzes zum Auftragen zu erreichen, ist das
zum Verbinden benutzte Kunstharz mit Glasfaserschnipseln angedickt worden bis
sich eine homogene Paste ergab.
Abbildung 27 Zusammengesetztes Schaufelmittelstück mit Innenrippen
Nach dem Zusammenfügen der beiden Schaufelhälften konnte die Schaufel als
Ganzes auf einer Abrichtmaschine geschliffen und vermessen werden, um die
46

Abweichung vom vorgegebenen Profil zu bestimmen. Die Maßgenauigkeit der
Schaufelkontur kann man als sehr gut bezeichnen. Die Abweichung von der vorgegebenen
Kontur beträgt überall unter 1,2 mm und an den für die Messungen
wichtigen Stellen liegt sie unter 0,5 mm.
Da die Schaufel in ihrer gesamten gewünschten Höhe von etwa 750 mm aus drei
Teilen bestehen sollte, wurden insgesamt 3 GFK-Schaufeln laminiert.
Während das große, 400 mm lange Mittelstück in 2 Hälften zerlegbar ist, um es
besser mit Messtechnik bestücken zu können, wurden bei den beiden kleineren
Anschlussstücken die Halbformen unlösbar miteinander verbunden. Sie sind aber
trotzdem hohl, damit verschiedenste Zu- und Ableitungen der Messtechnik dort
durchgeführt werden können. Des weiteren beinhalten die hier eingebrachten Innenrippen,
welche die Halbschalen zusammenhalten, die Gleithülsen für die Metallführungsstangen.
3.4.3 Inlays und Plenen
Der letzte Schritt zur endgültig fertigen Schaufel sind nun noch die Inlays. Als erstes
musste geklärt werden, mit welcher Fertigungsmethode diese herzustellen
sind. Da die Strukturen der Fan shaped Holes sehr fein sind und äußerst genau
eingehalten werden mussten, viel die Wahl auf das Erodieren und in diesem Fall
speziell das Senkerodieren. Zuerst wurde die Form der Inlays mit Innenkontur und
ihrer Wölbung aus einer Platte gefräst. Da bei den Messungen gegebenenfalls das
Naphthalin Verfahren eingesetzt werden soll, sind die Inlays in Strömungsrichtung
deutlich über die jeweils letzte Ausblasreihe hinaus verlängert. Weil die Beschichtung
mit Naphthalin sich am einfachsten auf Aluminium gestaltet, war dieses die
Grundlage für das Material der Inlays. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Aluminium
auch der Leichtbaustrategie bei der Schaufelkonstruktion zu gute kommt. Die
eingesetzte Aluminiumlegierung hat die Bezeichnung AlMnSi1. Die Form und
Anzahl der Kühlluftbohrungen in den Inlays wurde von Roll-Royce definiert.
Danach hat des Saugseiteninlay drei Bohrungsreihen, zwei davon mit neun und
eine mit zehn Bohrungen. Alle Bohrungen sind als Fan shaped Holes ausgeführt.
Das Druckseiteninlay hat nur zwei Bohrungsreihen mit jeweils neun Bohrungen.
47

teninlay hat nur zwei Bohrungsreihen mit jeweils neun Bohrungen. Bei diesem Inlay
ist nur die Zweite Bohrungsreihe mit Fan shaped Holes versehen.
Bezeichnung der Bohrungsreihe SS-1 SS-2 SS-3 PS-1 PS-2
Bohrungsanzahl 9 10 9 9 9
Position der Bohrungsreihe: x/c ax 0,70 0,78 0,85 0,06 0,20
d zylinder [mm] 6,75 6,75 6,75 6,75 6,75
Verhältnis t/d 4 4 4 3,5 3,5
fan Winkel 20° 20° 20° 0° 20°
laid-back Winkel 12° 10° 10° 0° 7,5°
axialer Ausblasewinkel α 25° 20° 20° 68° 35°
lateraler Ausblasewinkel β 0° 0° 0° 45° 0°
insert position:
von x/c ax :
bis x/c ax :
0,55
0,95
0,00
0,50
Tabelle 3 Position und Form der Kühlluftbohrungen
Nachdem die Grundformgebung der Inlays abgeschlossen war, wurden die
Ausblaseöffnungen mit einer Fertigungsgenauigkeit von ±0,05 mm erodiert.
Abbildung 28 Inlay der Druckseite
48

Abbildung 29 Inlay der Saugseite
Um eine möglichst über alle Löcher einer Ausblasreihe gleichmäßig verteilte
Ausblaserate zu erreichen, wird auf der Innenseite jedes Inlays ein Plenum befestigt,
welches die ankommende Kühlluft gleichmäßig verteilen soll. Der Platzmangel
im Inneren der Schaufel zwingt dazu, den Druckausgleich im Plenum möglichst
schnell und auf engem Raum erfolgen zu lassen. Um das zu unterstützen, wird die
verwendete Kühlluft von zwei Seiten gleichzeitig in das Plenum eingeblasen. Im
Plenum selbst befinden sich zwischen zwei Metallgittern mehrere Lagen feiner
Edelstahlsiebe, welche eine gleichmäßige Verteilung der Kühlluft unterstützen sollen.
Auf Grund der positiven Erfahrungen mit der Eigenfertigung von Schaufelteilen
aus GFK, fiel auch bei der Herstellung der Plenen die Wahl auf diese Methode.
Der Aufwand hierfür war deutlich geringer, als bei der Eigenfertigung der Schaufel.
Das lag zum einen daran, dass die Plenen keine so hohe Maßgenauigkeit erforderten,
wie die Schaufel selbst und zum anderen, dass sie viel kleiner waren und
die Negativform in sehr wenigen Arbeitsschritten hergestellt werden konnte. Mit
Hilfe von zwei Formteilen aus MDF wurde der Körper der Negativform aus Polystyrol-Hartschaumstoff
hergestellt. Dieses Material ist ein aufgeschäumter
Kunststoff, ähnlich Styropor, jedoch mit viel kleineren Poren und deutlich widerstandfähiger
gegenüber mechanischen Einwirkungen. Es lässt sich hervorragend
mechanisch bearbeiten und hat aber dennoch eine geringe Dichte, womit die Mo-
49

delle nicht so schwer und somit leichter handhabbar werden. Der Hartschaumstoff
wurde mit einem heißen Draht entlang der formgebenden MDF-Teile geschnitten
und danach etwas auf Untermaß geschliffen. Um die Negativformen vor möglichen
Oberflächenbeschädigungen zu schützen, wurde auf die Polystyrolteile eine einzelne
Schicht GFK laminiert. Auf diese GFK Schicht wurde nun übermaßig Formenharz
aufgetragen. Danach musste durch Abschleifen des Formenharzes die
Konturtreue wiederhergestellt werden. Diese Methode hat den Vorteil, dass die
Oberfläche der Form, nicht wie bei der Herstellung der Schaufel, noch anschließend
mit mehreren Schichten Lack und Wachs versiegelt werden muss.
Abbildung 30 Laminierform für das Plenum der Saugseite
Direkt auf das Formenharz konnte nun das Trennwachs aufgetragen und anschließend
das Plenum laminiert werden. Hierbei wurde die sonst aus Formenharz
bestehende erste Schicht ausgelassen, da für die Innenseite des Plenums eine
Oberflächengüte ausreichend ist, wie sie durch einfaches Auflaminieren erreicht
wird. Um ein Verziehen der Plenen unter Belastung zu vermeiden, wurde beim
Laminieren ein symmetrischer Schichtaufbau bestehend aus 7 Schichten GFK-
Gewebe in zwei verschiedenen Stärken verwendet. Außerdem wurden unter die
letzte Schicht jedes Plenums noch 3 Stege aus GFK-Gewebe von 3 cm Breite in
Umfangsrichtung auflaminiert, welche die Steifigkeit der Plenen in dieser Belastungsrichtung
nochmals verbesserten. Die Plenen haben somit eine generelle Ma-
50

terialstärke von 3 mm und an den Stegen von 5 mm. Nach dem Entformen und
dem Sägen der Plenen auf die gewünschten Abmaße mussten noch die Metallgitter
mit der Stahlwolle eingebracht werden. Diese wurden im Inneren der Plenen
mit der Außenwand verschraubt.
Abbildung 31 Saugseiteninlay inklusive Plenum
51

4. Aufbau
Nach der Fertigstellung aller Schaufelteile begann der Umbau des Windkanals
und der Aufbau der neuen Messstrecke. Alle weiterhin verwendeten Teile des Kanals
mussten an einen Standort in der Halle versetzt werden, der später ausreichend
Platz zum Schwenken der Beruhigungskammer mit dem Einlauf bietet. Die
Kanalteile wurden auf ihrem neuen Standort ausgerichtet und wieder im Boden
verankert.
Nach Abschluss dieser Arbeiten wurden bereits die ersten, der in der Werkstatt in
Auftrag gegebenen Teile geliefert. Schnell stellte sich heraus, dass die Toleranz
der gefertigten Schweißteile stellenweise zu groß war und zu Nacharbeiten
zwang. Die unplanmäßigen Stahlbauarbeiten wurden in Eigenarbeit erledigt und
verzögerten den Aufbau der Messkammer nur geringfügig.
Dann begann der Einbau der gelieferten Holzteile. Die Holzwerkstatt der Universität
war leider nicht in der Lage, mit den ihnen zur Verfügung stehenden Mitteln alle
benötigten Teile zu fertigen. Auch waren die verarbeiteten Schaltafeln teilweise so
stark verzogen, dass eine Verwendung nicht möglich war. Da eine neue Fertigung
der entsprechenden Teile durch die Holzwerkstatt terminlich nicht in kürzerer Zeit
zu bewerkstelligen gewesen wäre, fiel auch hier die Entscheidung auf eine Eigenfertigung
der benötigten Bauteile. Dabei erwies sich, dass die Wahl des Holzmaterials
in punkto Gewicht, Belastbarkeit, mechanischer Bearbeitbarkeit und Oberflächengüte
sehr gut war. Der Zuschnitt und die Bearbeitung der Polycarbonatteile,
welche von vornherein als Eigenarbeit geplant waren, folgte sofort im Anschluss
an den Holzbau.
Nachträglich lässt sich sagen, dass die Entscheidung den Großteil der nötigen
Stahl- und Holzteile selbst zu fertigen, in Bezug auf die Terminlage der Werkstatt,
die nötigen Nacharbeiten und die technischen Möglichkeiten des Lehrstuhls sich
günstig auf die Terminplanung ausgewirkt hätte.
Zuerst wurde der Hilfsrahmen komplett aufgebaut. Sehr genaues Augenmerk
musste hierbei auf die Position des Drehpunktes gelegt werden. Nachdem dieser
bestimmt und fixiert war, wurde der Rahmen daran ausgerichtet und befestigt. Anschließend
konnten die Bodenteile darauf montiert werden.
52

Daran anschließend erfolgte der Einbau der adaptiven Wände. Diese wurden vorher
auf ihrer gesamten Länge zusammengefügt und mit den vorgesehenen Adaptierstäben
versehen. Anschließend mussten die dünnen Wände im Schaufelbereich,
in Vorbereitung auf die ersten Messungen zum Ausrichten, mit Druckmessbohrungen
versehen werden. Dazu wurden auf selber Höhe wie bei der Modellschaufel
auch hier 1 mm dünne Bohrungen eingebracht. Auf deren Rückseite
ein Metallrohr zum Befestigen des Druckmessschlauches aufgeklebt wurde.
Beim Befestigen der Wände zeigte sich, dass nicht alle Klebestellen ihren Anforderungen
gewachsen waren. Vor allem die Klebeverbindungen zwischen den A-
luminiumteilen bereiteten Schwierigkeiten. Sobald bei der Montage eine geringe
Krafteinwirkung auftrat, die nicht senkrecht zur Klebefläche lag, brach die Klebeverbindung
auseinander. Im Einbauzustand und unter der im Betrieb auftretenden
Belastung wurden sie ihren Anforderungen jedoch gerecht. An einigen wenigen,
besonders kritischen Stellen wurden die Aluminiumteile sicherheitshalber nachträglich
mit den Polycarbonatstäben verschraubt. Die Klebeverbindungen zwischen
den Polycarbonatteilen dagegen hielten bis auf eine Ausnahme den Anforderungen
in jeglicher Weise stand. Die eine Ausnahme, bei der sich der Stab von
der Wand löste, war die Folge einer fehlerhaften Verklebung und konnte schnell
behoben werden.
Leider wurde beim Befestigen der adaptiven Wände festgestellt, dass nicht genügend
Platz war, um die gewünschte Anzahl von Adaptoren auf der Innenseite des
Kanals anzubringen und trotzdem ein gewisse Zugänglichkeit zu bewahren. An
dieser Stelle konnte deshalb nur jeder zweite Adaptierstab befestigt werden. Die
Befürchtung, dadurch das Druckprofil auf der Druckseite nicht ausreichend genau
einstellen zu können, erwies sich jedoch als unbegründet, wie sich später noch
zeigen wird. Nachdem alle Wände befestigt und mit Hilfe einer Schablone in einer
vorläufigen, ihrer späteren Position sehr nahe liegenden Lage befestigt waren,
wurde die Modellschaufel eingesetzt und der Kanal mit den Deckelteilen geschlossen.
Nachdem alle Teile befestigt waren, konnte mit dem Ausrichten der Messtrecke
begonnen werden. Als erstes musste der genaue Anströmwinkel eingestellt werden.
Diese Gelegenheit wurde gleich für einen Versuch benutzt, die Messstrecke
über den gesamten erforderlichen Winkelbereich zu schwenken.
53

Die Messstrecke ließ sich ohne größere Probleme über den gesamten Winkelbereich
schwenken und alle nicht feststehenden Teile folgten dieser Bewegung wie
vorgesehen. Nachdem der berechnete Anströmwinkel eingestellt war, wurde die
Messkammer fixiert und das Ausrichten fortgesetzt.
Jetzt konnten die Bodenteile in eine waagerechte Lage gebracht werden. Dies
funktionierte mit Hilfe der höhenverstellbaren Füße sehr gut. Danach wurden die
Wände, welche pro Adaptierstelle von zwei Adaptoren gehalten wurden, senkrecht
ausgerichtet. Hierbei erwies sich die große Anzahl der Adaptoren als zeitverzögernder
Faktor. Vor allem zeigte sich, dass beim Adaptieren der Wände auf die
senkrechte Ausrichtung dieser besonderes Augenmerk gerichtet werden muss,
damit die Strömungsverhältnisse über die Höhe der Messstrecke identisch sind.
Nachdem die komplette Messkammer im Verbund mit dem Kanal aufgebaut war,
wurden alle erforderlichen Stellen abgedichtet und die Messungen zur Feineinstellung
der adaptiven Wände konnte beginnen.
Abbildung 32 Fertig aufgebaute Messstrecke vor Inbetriebnahme
54

4.1 Schaufelmontage
Nun konnte die Montage und Instrumentierung der Schaufel beginnen. Für die erste
Versuchsreihe, welche das vorgegebene Druckprofil bestätigen und beim Einstellen
der adaptiven Wände helfen sollte, wurden in Umfangsrichtung in der Hälfte
der Schaufelhöhe Druckmessbohrungen, gleichmäßig über den Umfang verteilt,
angebracht. Im Inneren der Schaufel wurde auf jeder der Bohrungen ein kurzes
Metallrohr aufgeklebt. Auf diese kurzen Rohrstücke konnte dann der Druckmessschlauch
mit einem Innendurchmesser von 1,65 mm aufgesteckt werden. Die vielen
Schläuche wurden durch die hohle Schaufelkonstruktion nach unten aus der
Messstrecke herausgeführt und an die Messstellen – Umschalter Typ Scandivalve
SSS 48 angeschlossen. Die Versuche sind ohne Kühlluftausblasung und dienen
dazu, festzustellen, ob die für die nachfolgenden Messungen erforderlichen Strömungsbedingungen
vorhanden sind.
Nach Abschluss dieser Messungen werden erst die Inlays mit den dazugehörigen
Plenen eingesetzt. Dazu werden aus der Oberfläche des mittleren Schaufelteils
zwei den Inlays entsprechende Stücke herausgesägt und dort die Inlays eingesetzt.
Befestigt werden sie durch Senkkopfschrauben von außen. Damit auch
während dieser Messungen mit den Inlays und Kühlluftausblasung der Druckverlauf
auf der Schaufel beobachtet werden kann, mussten auch in die Inlays Druckmessbohrungen
eingebracht werden. Hierbei galt es besonders darauf zu achten,
die Kühlluftkanäle der Fan-shaped-holes nicht zu beschädigen. Da bei dem
Druckseiteninlay auch die Innenkontur des Inlays für die Strömungsverhältnisse in
den Kühlluftkanälen von Bedeutung ist, dürfen die Druckmessanschlüsse diese
nicht verfälschen.
Das Mittelstück der Schaufel und die beiden Endstücke werden auf Stoß aneinander
angesetzt und von innen in Kontur gehalten. Die Stoßfuge wird von außen mit
einem schmalen Streifen Klebeband abgedichtet.
Diese einfache Methode konnte hier gewählt werden, weil die Stoßfuge der
Schaufelteile außerhalb des Messbereiches der Schaufel liegt und die Stoßfuge in
Strömungsrichtung liegt und somit die Messergebnisse nicht verfälschen kann. Da
die beiden Endschaufelteile zur Messschaufel hin angepresst werden, kann die
Schaufel bei Herausnehmen nicht in diese 3 Teile zerfallen.
55

Abbildung 33 Aufbau der dreiteilige Modellschaufel
4.2 Inbetriebnahme der Messstrecke
Die Messungen zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit der neuen Messkammer
begannen mit dem Ausrichten der adaptiven Wände.
Diese wurden nach einem Druckprofil ausgerichtet, das Rolls Royce zuvor numerisch
ermittelt hatte. Dazu wurden die Druckprofile visualisiert und im laufenden
Windkanalbetrieb ständig aktualisiert. So konnte nahezu in Echtzeit die an den
adaptiven Wänden vorgenommenen Einstellungen auf dem Bildschirm mitverfolgt
werden. Der einzige Verzögerungsfaktor waren bei diesen Messungen die mechanischen
Messstellenumschalter vom Typ Scandivalve SSS 48. Aufgrund der
großen Anzahl von statischen Druckbohrungen auf Schaufeloberfläche und den
Messkammerwänden wurden 3 dieser Module eingesetzt, die jeweils 48 Bohrungen
abtasten können. Die Module tasten immer nur eine Bohrung ab und schalten
nach einer gewissen, programmierbaren Wartezeit auf die nächste Bohrung um.
Das heißt, dass bis zum Erreichen einer für statistische Zwecke aussagekräftigen
Anzahl von Messwerten pro Druckmessstelle eine spürbare Wartezeit verstrichen
ist. Der Vorteil dieser Methode war aber, dass dadurch der Einfluss der verschiedenen
Adaptierpositionen auf das Druckprofil beobachtet und dokumentiert werden
konnte. Dadurch ist es bei späteren Versuchen, die ein erneutes Adaptieren
56

der Wände erfordern, leichter das erforderliche Druckprofil einzustellen, da anhand
der Abweichungen schon erkennbar ist, an welchen Stellen der adaptiven
Wand ein nachregeln nötig ist.
Abbildung 34 Vergleich der lokalen Machverteilung auf der Schaufeloberfläche
Nachdem die Strömungsbedingungen an der Modellschaufel entsprechend den
Vorgaben eingestellt waren, wurde zur Bestimmung der Strömungsqualität im Kanal
eine Totaldrucktraverse im Einlauf- und Nachlaufbereich durchgeführt. Wie
schon beschrieben, wurde dafür eine Fünflochsonde verwendet. Der Sensorkopf
dieser Sonde hatte einen Durchmesser von d a =1,5mm. Der Totaldruck wurde als
Differenzdruck zum Umgebungsdruck ermittelt. Das benutzte Messraster für die
Traversierebene lag bei 5x5mm. Im Einlaufbereich lief die Traversierebene in einem
Winkel von ??° durch den Kanal und im Nachlaufbereich in einem Winkel von
??°.
Das hat den Grund, dass die Messungen parallel zur Gittereintrittsebene der
Schaufelkaskade sind, die in diesem Fall nur durch die alleinige Messschaufel
dargestellt wird.
57

Abbildung 35 Lage der Traversierebenen im Einlauf- und Nachlaufbereich
Die Messungen ergaben, dass die geforderte Strömungsqualität von der Konstruktion
erreicht wurde. Wichtig ist vor allem die Strömung in einem rechteckigen Ausschnitt
in Kanalmitte, in dem der für die Messungen wichtige Bereich der Modellschaufel
liegt.
Bei der Drucktraverse im Nachlauf ergab sich, dass die Sonde durch ihre Versperrung
die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal so stark beeinflusste, dass sie zeitweise
außerhalb der geforderten Toleranz lag. Um das Problem zu lösen, wurde
mit LabView eine Steuerungssoftware für den Ventilator programmiert, welche die
Leistung des Ventilators ständig nachregelte, um so zu garantieren, dass die
Strömungsgeschwindigkeit nur innerhalb der geforderten Toleranzen schwankt.
Als Eingangsgröße für das Steuerungsprogramm wurde die mit einem Prandtlschen
Staurohr im Einlaufbereich des Kanals gemessene Strömungsgeschwindigkeit
benutzt.
58

Abbildung 36 Vermessen der Nachlaufströmung mit einer Fünflochsonde
Im Anschluss an die Vermessung der Hauptströmung wurden die Grenzschichten
vermessen, dies erfolgte mit einem Hitzdraht-Anemometer. Vermessen wurden
die wandnahen Grenzschichten auf der Schaufeloberfläche ohne Kühlluftausblasung
und die Grenzschichten an den Seitenwänden im Einlauf- und Nachlaufbereich
der Messkammer.
Damit waren alle grundlegenden Strömungseigenschaften der Messkammer erfasst.
Als Ergebnis dieser Messungen musste ein zusätzliches Turbulenzsieb am
Ausgang der Beruhigungskammer, in der Düse, angebracht werden. Die Strömung
im Kanal war mit einem Turbulenzgrad von T u ~0,5 zu laminar, dadurch
kommt es an der Modellschaufel zu schnell zu einer Strömungsablösung, die nicht
den Strömungsverhältnissen der Originalschaufel entspricht. Durch einen höheren
Turbulenzgrad der Hauptströmung kann die Ablösetendenz gesenkt werden. Nach
Einbau des Turbulenzgitters wurden die Einlauf- und Nachlauftraversen nochmals
durchgeführt. Der abfallende Verlauf der Strömungsturbulenz der hierbei erkennbar
ist, resultiert aus dem schrägen Verlauf der Traversierebene durch den Kanal.
59

Nach Abschluss der Messungen zur Strömungsqualität und der Position der adaptiven
Wände konnte die Modellschaufel für die ersten Messungen vorbereitet werden.
Dafür wurden die fertigen Inlays zusammen mit den Plenen eingesetzt.
Abbildung 37 Schaufelmittelstück mit Inlays und Plenen(Ansicht von unten)
An der nun fertig montierten und eingesetzten Schaufel wurden nun die eigentlichen
Versuche zum Thema Filmkühlung unter Einsatz der verschiedenen Messtechniken
begonnen.
60

4.3. Ergebnis der Vorversuche
Nach Abschluss der vorbereitenden Messungen und nach Beobachtung der ersten
Versuche aus der Messkampagne zur Untersuchung der Kühlfilmeffektivität,
lässt sich sagen, dass die im Rahmen dieser Studienarbeit gebaute Messkammer
den Anforderungen der Versuchsreihe, für welche sie ausgelegt ist voll und ganz
gewachsen ist.
Die Strömungsverhältnisse entsprechen den Vorgaben des Projektpartners Rolls-
Royce Deutschland und die Messkammer ist bei ihrer Konstruktion im finanziellen
Rahmen des Projektes geblieben.
Die zu Beginn aufgestellten Auflagen an die Konstruktion aus den verschiedenen
Messverfahren konnten alle erfüllt werden.
Des weiteren kann die Messstrecke ohne größeren Aufwand für weiterführende
Versuche an diesem Projekt oder für andere Projekte an einem ähnlichen Modell
umgebaut werden.
Abbildung 38 Komplette Messstrecke im Betriebszustand
61

ΙΙ. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Entwicklung der Turbineneintrittstemperatur über die Jahre 1955-2000 ..................................... 7
Abbildung 2 verschiedene Auslegungsformen für Konvektionskühlkanäle...................................................... 9
Abbildung 3 gerade und serpentinenartige Kühlluftkanäle ............................................................................... 9
Abbildung 4 Kühlluftströmung bei Prallkühlung............................................................................................ 10
Abbildung 5 Turbinenschaufel mit Filmkühlbohrungen und Pin-Fin Kühlung............................................... 11
Abbildung 6 Beispiel einer Turbinenschaufel mit kombinierten Kühlverfahren............................................. 12
Abbildung 7 Aufbau des Eifelwindkanals des Lehrstuhl vor Umbaubeginn................................................... 13
Abbildung 8 gerechneter Druckverlauf an der Modellschaufel....................................................................... 15
Abbildung 9 optische Materialien im Bereich um die Modellschaufel .......................................................... 17
Abbildung 10 Grenzschichtvermessung an der Modellschaufel ..................................................................... 18
Abbildung 11 verfärbte Diazo-Folie nach einem Versuch .............................................................................. 20
Abbildung 12 Komponenten eines PIV Systems............................................................................................. 22
Abbildung 13 PIV Vektorbild mit Strömungslinien........................................................................................ 23
Abbildung 14 Kopf einer vierfach Hitzdrahtsonde.......................................................................................... 25
Abbildung 15 Kopf einer X-Draht Sonde........................................................................................................ 25
Abbildung 16 Unterteilung der Messstrecke: Einlaufbereich(gelb), Mittelteil(grün), Nachlaufbereich(blau) 27
Abbildung 17 Skizze der Seitenwandverbindung BK/Einlauf ........................................................................ 30
Abbildung 18 vereinfachte Darstellung des Lastfalls am Hilfsrahmen ........................................................... 31
Abbildung 19 Hilfsrahmen Einlaufbereich als 3D-Modell.............................................................................. 32
Abbildung 20 Skizze der Verbindungsstelle von Adaptor und adaptiver Wand ............................................. 35
Abbildung 21 Abmaße des Hilfsrahmens unter dem Mittelteil mit Position der Modellschaufel................... 37
Abbildung 22 Hilfsrahmen Nachlaufbereich als 3D-Modell........................................................................... 39
Abbildung 23 Nachlauf und neuer Diffusor als Pro-Engeneer Modell ........................................................... 40
Abbildung 24 MDF-Negativform mit Gipsmodellschaufel............................................................................. 42
Abbildung 25 verbundene Gipsmodellschaufel............................................................................................... 43
Abbildung 26 Vakuumbehandlung der laminierten Schaufelteile................................................................... 45
Abbildung 27 Zusammengesetztes Schaufelmittelstück mit Innenrippen....................................................... 46
Abbildung 28 Inlay der Druckseite ................................................................................................................. 48
Abbildung 29 Inlay der Saugseite ................................................................................................................... 49
Abbildung 30 Laminierform für das Plenum der Saugseite ............................................................................ 50
Abbildung 31 Saugseiteninlay inklusive Plenum............................................................................................ 51
Abbildung 32 Fertig aufgebaute Messstrecke vor Inbetriebnahme ................................................................. 54
Abbildung 33 Aufbau der dreiteilige Modellschaufel ..................................................................................... 56
Abbildung 34 Vergleich der lokalen Machverteilung auf der Schaufeloberfläche.......................................... 57
Abbildung 35 Lage der Traversierebenen im Einlauf- und Nachlaufbereich.................................................. 58
Abbildung 36 Vermessen der Nachlaufströmung mit einer Fünflochsonde.................................................... 59
Abbildung 37 Schaufelmittelstück mit Inlays und Plenen(Ansicht von unten)............................................... 60
Abbildung 38 Komplette Messstrecke im Betriebszustand............................................................................. 61
62

ΙΙΙ. Quellenverzeichnis
„Fundamentals of Gasturbines“ Autor: William W. Bathie Verlag:John Wiley &
Sons, Inc. ISBN: 0-471-31122-7
„Aicraft Engines and Gas Turbines“ Autor: Jack L. Kerrebrock Verlag:MIT Press
ISBN: 0-262-11162-4
„A practical Guide to Steam Turbine Technology” Autor: Heinz P. Bloch Verlag:
McGraw-Hill ISBN: 0-07-005924-1
“Recent Developments in Turbine Blade Internal Cooling” Autor: Je-Chin Han &
Sandip Dutta Verlag: Department of Mechanical Engineering
Texas A&M University, College Station, TX 77843-3123, U.S.A.
“Contribution of heat Transfer to Turbine Blades and Vanes for high Tenmperature
Industrial Gas Turbines” Autor: Ken ichiro Takeishi & Sunao Aoki Verlag: Takasago
Research and Development Center,
Mitsubishi Heavy Industries Ltd., Takasago 676-8686, Japan
„Friedrich – Tabellenbuch Metall- und Maschinentechik“ Verlag: Dümmler Verlag
Bonn ISBN: 3-427-51032-8
„Experimentelle Bestimmung des örtlichen inneren Wärmeübergangs von Turbinenleit-
und laufschaufeln mit Hilfe der Analogie zwischen Wärme- und Stoffübergang“
Autor: Heinz Peter Berg Verlag: Technische Hochschule Darmstadt 1991
„Bau eines Wasserkanals und Methoden zur Sichtbarmachung von Strömungen“
Autor: Michael Amann & Alexander Bauer, Verlag FH München 1993
63

„Entwicklung einer Messkammer zur grundsätzlichen Untersuchen der Kühllufteinblasung
in Gebieten lokaler Strömungsablösung und Messung der Fluidströmung
sowie der adiabaten Filmkühleffektivität“ Autor: Michael Prinzler Verlag: BTU Cottbus
2000
„Vortragssammlung zur Vorlesung Methoden der Strömungsmesstechnik“ Autor:
D. Otto, S. Wünsche, D. Hille, S. Hickel, S. Klohs Verlag: BTU Cottbus 2001
„Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung - Abschlußbericht“ Autor:
Michael Prinzler, Verlag: BTU Cottbus 2003
64

ΙV. Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich an Eides statt, dass die vorliegende Studienarbeit unter Benutzung
der angegebenen Literatur von mir persönlich verfasst wurde.
Cottbus den 15.04.2004
Stefan Wünsche
65