Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...

neuen dreidimensionalen Schaufeln für eine vierstufige Hochdruck-Dampfturbine. Durch das
geringe Schaufelseitenverhältnis ist die Sekundärströmung dabei maßgebend für das gesamte
Strömungsfeld. Im Ausgangsprofil findet sich im Mittelschnitt kein Bereich zweidimensionaler
Strömung. Eine optimale Profildruckverteilung oder Geschwindigkeitsverteilung war nicht
bekannt und konnte deswegen nicht als Ziel gesetzt werden. Eine direkte Vorgabe einer optimalen
Verteilung hängt immer stark vom jeweiligen Entwurfsingenieur ab. Die Schaufelgitter
wurden deswegen mit dem Ziel einer möglichst homogenen Abströmung neu entworfen. Das
Entwurfskonzept basiert auf einer radialen Veränderung des Schaufelaustrittswinkels, um eine
möglichst gleichmäßige Strömung am Austritt einer jeden Schaufelreihe zu erhalten. Durch
die verbesserte Anströmung der einzelnen Gitter kam es zu einer deutlichen Reduzierung der
integralen Verluste. Der Turbinenwirkungsgrad stieg durch die neue Beschaufelung gegenüber
den vorhergehenden zweidimensional ausgelegten Schaufelprofilen um 2 % an. Messungen
ergaben eine gleichmäßigere Strömung, aber nicht so gleichmäßig wie durch die Berechnungen
vorhergesagt. Erklärt wurde dieses durch die Überkompensierung der Überumlenkung der
nachfolgenden Stufen, welche durch die Sekundärströmungen produziert wird. Trotz dieser
Erkenntnis wird die radiale Vergleichmäßigung der Strömung als effektive dreidimensionale
Methode zur Verbesserung der Leistung bei low aspect ratio16 Schaufeln angesehen.
Das größte Potential einer gezielten Beeinflussung der Sekundärströmungsmechanismen
ergibt sich bei einer kombinierten Modifikation der Seitenwände und einer auf den Meridionalkanal
und die Seitenwandform abgestimmten dreidimensionalen Profilierung des Schaufelblatts.
Ein Ansatz in dieser Richtung wird von Duden et al. 1998 [20] veröffentlicht. In der Arbeit
erfolgt eine Neukonstruktion einer hoch belasteten Turbinenkaskade mit divergierenden Seitenwänden
zur Reduzierung der Sekundärströmung mittels Seitenwand-Konturierung und
dreidimensionaler Schaufelauslegung im Seitenwandbereich. Der Mittelschnitt wird nicht
variiert. Die Gesamtbelastung und das axiale Flächenverhältnis wird dabei konstant gehalten.
Die Auslegungsrechnungen erfolgen hauptsächlich durch quasi-dreidimensionale Rechenverfahren.
Bei größeren geometrischen Variationen erfolgte ein Abgleich durch dreidimensionale
Navier-Stokes-Rechnungen. Zwei der optimierten Auslegungen wurden im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal
des Instituts für Strahlantriebe experimentell untersucht. Bei den Messungen
wurde pneumatische Meßtechnik eingesetzt und Ölanstrichbilder angefertigt. Die
Strömung im Mittelschnittsbereich ist zweidimensional. Dadurch konnte parallel eine reine
dreidimensionale Schaufelprofilierung in Seitenwandnähe und eine dreidimensionale Schaufelprofilierung
in Seitenwandnähe kombiniert mit einer axialen Seitenwandkonturierung untersucht
werden (Abb. 2.16).
16. low aspect ratio kennzeichnet ein Schaufelgitter mit geringem Schaufelhöhenverhältnis.
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