Forschung im HLRN-Verbund 2011

140Die Wandlung von Energie ist eine Frage der ZeitUnsteady Work Optimized TurbineJ. Seume, M. Biester, M. Henke, Institut für Turbomaschinenund Fluid-DynamikKurzgefasst• Die Verminderung von Triebwerksemissionen isteng mit der Verbesserung des Triebwerkswirkungsgradesverbunden.• Das Verständnis von zeitabhängigen, verlustgenerierendenEffekten ist bislang gering.• Das Projekt dient der Klärung der Interaktionvon zeitabhängigen, verlustgenerierenden Effektenund deren Auswirkung auf die Emmissionsraten.Eine Minderung der Emissionen im TriebwerksundTurbinenbau lässt sich in erster Linie durcheine Verbesserung des Wirkungsgrades realisieren.Die diesbezüglich existierenden Konzepte seheneine Optimierung der Schaufelgeometrien inHinblick auf die verlustgenerierenden Effekte vor.Die Identifizierung dieser Effekte ist Basis für effizientereTurbomaschinen. Der Großteil bisherigerUntersuchungen vernachlässigt jedoch die zeitlicheÄnderung des Strömungsfeldes. Dieser Bereichsoll in diesem Projekt weiter untersucht werden.Im Rahmen des durch das Luftfahrtforschungsprogrammdes Bundesministeriums für Wirtschaftund Technologie geförderten Projektes LuFo IVwerden am Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) in Zusammenarbeit mit MTUAero Engines GmbH Simulationen und späterauch experimentelle Untersuchungen zur zeitlichveränderlichen Interaktion von rotierenden und stehendenSchaufelreihen in einer 1,5 stufigen Luftturbinedurchgeführt. Die im Versuch verwendeteTurbine besteht aus einer rotierenden Schaufelreihe(Rotor) sowie zwei stehenden Reihen (Statoren).Am Eintritt der Turbine steht Luft unter Druckzur Verfügung, am Austritt herrscht Umgebungsdruck.Durch diesen Druckunterschied kommt eszur Strömung, welche durch die Statoren und denRotor strömt. In den Schaufelreihen wird die Luftso gerichtet, dass der Rotor eine Drehbewegungdurchführt. Unmittelbar hinter den Schaufeln desRotors kommt es zur Ausbildung eines Totwassergebietes.Die Geschwindigkeit der Strömungim Schatten der Schaufel ist daher langsamerals jene, welche ungestört zwischen zwei Schaufelnhindurch strömt. Dieser Effekt wird als Nachlaufeiner Schaufel bezeichnet. Da der Rotor rotiert,bewegt sich die verlangsamte Strömung imNachlauf relativ zu dem stromab liegenden Statorund trifft an unterschiedlichen Positionen aufdenselben auf. Ähnlich verhält es sich mit denNachläufen des ersten Stators, welche auf die rotierendeBeschaufelung des Rotors treffen. Damitsind die Schaufeln wechselnden mechanischenaber auch aerodynamischen Belastungen ausgesetzt.Der Nachlauf bzw. der diesen charakterisierendenGeschwindigkeitsdefekt nimmt mit steigendenAbstand vom Verursacher ab, man spricht vomAusmischen. Dieser Prozess ist stets verlustbehaftet.Durch die Umlenkung und Expansion desFluids in den Schaufeln wird der Prozess des Ausmischensbeeinflusst. Gleiches gilt für die Bewegungdes Nachlauffluids. Dieses wird innerhalb derSchaufeln gestreckt und gestaucht, was zur Ausbildungüberlagernder Störungen führt.Neben den beschriebenen Nachlaufeffektenwird die Strömung in Turbomaschinenzusätzlich durch potentialtheoretische Effekte beeinflusst.Dieser Mechanismus beruht auf der Verdrängungswirkungder Schaufeln. Die zeitliche Varianzentsteht durch die relative Bewegung derSchaufelreihen zueinander. Während die Nachlaufeffekteausschließlich in Strömungsrichtungwirken, beeinflussen potentialtheoretische Effektesowohl stromauf als auch stromab das DruckundGeschwindigkeitsfeld in einer Turbomaschine.Nachlauf- und Potentialeffekte überlagern sich undsind nicht direkt voneinander trennbar. Bei großenaxialen Abständen zwischen den Schaufeln undniedrigen Strömungsgeschwindigkeiten könnendie Potentialeffekte oft gegenüber den Nachlaufeffektennäherungsweise vernachlässigt werden.Ziel des Projektes ist das tiefgreifende Verständnisder räumlichen und zeitlichen Änderung derAusmisch- und Potentialeffekte, deren Einfluss aufdie Arbeitsleistung, die Verluste und den Wirkungsgrad.Durch intensive stationäre und instationäreVermessung der Turbine mit Sonden und instrumentiertenSchaufeln soll die Wirkung wesentlicherEinflussgrößen (Axialabstand, Betriebspunkt,Beschaufelungstyp) detailliert erfasst werden.Die optimale Nutzung messtechnischer Ressourcensoll durch numerische Untersuchungen,welche dem Experiment vorausgehen und diesesbegleiten, gewährleistet werden. Weiter werdenumfangreiche Datensätze für die Validierung undWeiterentwicklung des vom DLR entwickelte undin diesem Projekt verwendeten StrömungslöserTRACE geschaffen, um auf dem untersuchtenGebiet die Designfähigkeit zu erlangen. Die begleitendennumerischen Simulationen ermöglichenIngenieurwissenschaften