Qualitative und quantitative Untersuchungen von Sekundärströmungen in einer Turbinenstufe
Seiten
2013
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-581-5 (ISBN)
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-581-5 (ISBN)
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Die Beobachtbarkeit der Sekundärströmungen in Turbomaschinen ist durch die verwendeten Methoden begrenzt. Entscheidend sind dabei nicht nur räumliche und zeitliche Auflösung der Simulation und Messgenauigkeit, sondern auch Modellansätze, die bereits ein Verständnis der physikalischen Vorgänge innerhalb der Strömung voraussetzen. Dieses Verständnis zu Sekundärströmungen in Turbomaschinen zu erweitern ist Ziel dieser Arbeit.
In dieser Arbeit wurden experimentelle Messungen und eine numerische Simulation zu Sekundärströmungen durchgeführt. Modell ist dabei eine einstufige Turbine für geringe Reynoldszahlen im inkompressiblen Fall. In einem weiteren Schritt werden mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse das Verhalten von Sekundärströmungen und die resultierenden Verlustund Arbeitsmechanismen in der Turbinenstufe diskutiert. Die experimentellen Untersuchungen wurden an dem Ringgitterwasserkanal und einer Flachbettwasserkaskade des Institutes für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart durchgeführt. Qualitative Ergebnisse wurden durch Strömungsvisualisierung mittels Farbstoffeinbringung gewonnen. Außerdem wurde mit Hilfe eines Particle-Tracking-Velocimetry-Systems (PTV) und der dafür eingerichteten Kameraanlage das Strömungsfeld in Form von Partikelpfaden erfasst und quantitative Größen ermittelt. Um die Lücken der experimentellen Untersuchung zu schließen, wird auf numerische Ergebnisse zurückgegriffen. Dabei wird der Mehrwert dieses PTV-Systems in der Strömungsmesstechnik für Turbomaschinen deutlich, da Strömungsgrößen zeitaufgelöst an diskreten Punkten von Partikelpfaden vorliegen. Das Strömungsfeld lässt sich deshalb sowohl in der Lagrange’schen Betrachtungsweise entlang der Partikelpfade als auch mit einem Mittelungsansatz in Schnittebenen interpretieren. Damit ist PTV geeignet, um die komplexen Strömungsvorgänge in Turbinen zu erfassen. Die Qualität der akquirierten Strömungsdaten ist ausreichend, um Aussagen über die inhärenten Verluste und den Arbeitsprozess zu treffen.
Durch ihren nichtinvasiven Charakter und die sowohl zeitliche als auch räumliche Auflösung ist diese Messmethode prädestiniert, um instationäre Strömungen und Instabilitäten zu untersuchen.
Mit dem PTV-Ansatz und den daraus abgeleiteten Ergebnissen entlang der Partikelpfade können die Verlust- und Energieaustauschmechanismen im Entstehungsprozess und dem weiteren Verlauf der Sekundärströmungen erfasst werden. Im stationären Umfeld der Flachbettwasserkaskade zeigen unterschiedlich starke Wirbel, die in das Strömungsfeld des Schaufelgitters eingebracht werden, innerhalb der Passage ein stabiles Verhalten. Wirbelzusammenbrüche sind lokal auf den Bereich der Vorderkante der Schaufeln beschränkt. In der instationären Rotorumgebung im Ringgitterwasserkanal werden die Wirbelzusammenbrüche sowohl innerhalb der Passage als auch im Axialspalt beobachtet.
Das Zusammenbruchverhalten kann so auf die instationäre Strömungsumgebung des Rotors zurückgeführt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die scherspannungsgebundenen Verluste durch Sekundärströmungen mit den bisherigen Methoden überschätzt werden. Als Gründe dafür werden die Fehler in der Referenzwertbildung, unzureichende zeitliche und räumliche Auflösung bei Messungen und numerischen Simulationen und der Einfluss von Sonden auf Wirbelinstabilitäten in dieser Arbeit erörtert.
Aus den in dieser Arbeit durchgeführten Experimenten mit dem Modell einer Kegelkopfsonde wird deutlich, dass mit invasiven Messmethoden Verluste durch Sekundärströmungen bisher zu hoch beziffert werden. In der Untersuchung dazu weist der Kanalwirbel einen verfrühten Wirbelzusammenbruch auf, wenn er durch das Modell der Sonde gestört wird. Direkt vor der Sonde ist in den PTV-Ergebnissen ein Wirbelzusammenbruch im Blasenmodus zu sehen. Damit wird die Messung von Geschwindigkeiten und Drücken in diesem Gebiet gegenüber der ungestörten Strömung verfälscht. Gitterwirkungsgrade und Verluste werden somit systematisch falsch bestimmt. Aus den PTV-Ergebnissen wird deutlich, dass sich die Wirbeldynamik nicht vernachlässigbar anders verhält als normale Nachläufe, Grenzschichten oder turbulente Bereiche nach einem Umschlag.
Weitere Abweichungen ergeben sich, wenn Sekundärströmungsmodelle bei der Bestimmung der Verlustgrößen mit Hilfe von Totaldruckreferenzwerten am Stufeneintritt nicht berücksichtigt werden. Sie führen so zu einem falschen Verständnis der Verlustentstehung im Umlenkgitter.
Bei einer Gegenüberstellung zweier unterschiedlicher Methoden, den Totaldruck in einer Schnittebene mit Eintrittswerten in Beziehung zu setzen, zeigen sich Abweichungen zwischen den Verlustzahlen von bis zu 50% in der Abschätzung der Verluste unterschiedlicher Strömungsgebiete.
Werte für Dissipation sind im Entstehungsprozess desWirbels, also noch innerhalb der Grenzschichten, hoch und fallen innerhalb der Wirbel auf das Niveau der Hauptströmung und darunter ab. Bisher werden die Grenzschichten und die damit verbundenen Verluste den Sekundärströmungen zugerechnet, die aus diesen Bereichen entstehen.
Eine eindeutige Unterscheidung zwischen Verlusten durch Sekundärströmungen und Verlusten durch Grenzschichten ist nötig, um im Auslegungsprozess gezielt nach aerodynamischen Gesichtspunkten optimieren zu können. Schaufel- und wandgebundene Grenzschichten gehören zu den Bereichen, in denen, soweit keine Transition und Ablösung vorkommt, inhärente Scherspannungsverluste nicht weiter gesenkt werden können. Werden diese Aprioriverluste berücksichtigt, ist das Verbesserungspotential der Sekundärströmungsbeeinflussung einschätzbar.
Die Untersuchung der instationären Interaktion der statornativen Sekundärströmung mit dem Rotor mittels CFD, Tintenvisualisierung und PTV in Wasserkanälen liefert ein phänomenologisches Gesamtbild. Dieses ist essenziell zur Modellbildung, Planung und Auswertung von Messungen und Simulationen, in denen Sekundärströmungen und Wirbelstrukturen auftreten.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen und einer angepassten Modellbetrachtung der Sekundärströmungen ist eine Optimierung und damit eine verbesserte Auslegungsmethodik im Bereich der Turbomaschinen möglich.
In dieser Arbeit wurden experimentelle Messungen und eine numerische Simulation zu Sekundärströmungen durchgeführt. Modell ist dabei eine einstufige Turbine für geringe Reynoldszahlen im inkompressiblen Fall. In einem weiteren Schritt werden mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse das Verhalten von Sekundärströmungen und die resultierenden Verlustund Arbeitsmechanismen in der Turbinenstufe diskutiert. Die experimentellen Untersuchungen wurden an dem Ringgitterwasserkanal und einer Flachbettwasserkaskade des Institutes für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart durchgeführt. Qualitative Ergebnisse wurden durch Strömungsvisualisierung mittels Farbstoffeinbringung gewonnen. Außerdem wurde mit Hilfe eines Particle-Tracking-Velocimetry-Systems (PTV) und der dafür eingerichteten Kameraanlage das Strömungsfeld in Form von Partikelpfaden erfasst und quantitative Größen ermittelt. Um die Lücken der experimentellen Untersuchung zu schließen, wird auf numerische Ergebnisse zurückgegriffen. Dabei wird der Mehrwert dieses PTV-Systems in der Strömungsmesstechnik für Turbomaschinen deutlich, da Strömungsgrößen zeitaufgelöst an diskreten Punkten von Partikelpfaden vorliegen. Das Strömungsfeld lässt sich deshalb sowohl in der Lagrange’schen Betrachtungsweise entlang der Partikelpfade als auch mit einem Mittelungsansatz in Schnittebenen interpretieren. Damit ist PTV geeignet, um die komplexen Strömungsvorgänge in Turbinen zu erfassen. Die Qualität der akquirierten Strömungsdaten ist ausreichend, um Aussagen über die inhärenten Verluste und den Arbeitsprozess zu treffen.
Durch ihren nichtinvasiven Charakter und die sowohl zeitliche als auch räumliche Auflösung ist diese Messmethode prädestiniert, um instationäre Strömungen und Instabilitäten zu untersuchen.
Mit dem PTV-Ansatz und den daraus abgeleiteten Ergebnissen entlang der Partikelpfade können die Verlust- und Energieaustauschmechanismen im Entstehungsprozess und dem weiteren Verlauf der Sekundärströmungen erfasst werden. Im stationären Umfeld der Flachbettwasserkaskade zeigen unterschiedlich starke Wirbel, die in das Strömungsfeld des Schaufelgitters eingebracht werden, innerhalb der Passage ein stabiles Verhalten. Wirbelzusammenbrüche sind lokal auf den Bereich der Vorderkante der Schaufeln beschränkt. In der instationären Rotorumgebung im Ringgitterwasserkanal werden die Wirbelzusammenbrüche sowohl innerhalb der Passage als auch im Axialspalt beobachtet.
Das Zusammenbruchverhalten kann so auf die instationäre Strömungsumgebung des Rotors zurückgeführt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die scherspannungsgebundenen Verluste durch Sekundärströmungen mit den bisherigen Methoden überschätzt werden. Als Gründe dafür werden die Fehler in der Referenzwertbildung, unzureichende zeitliche und räumliche Auflösung bei Messungen und numerischen Simulationen und der Einfluss von Sonden auf Wirbelinstabilitäten in dieser Arbeit erörtert.
Aus den in dieser Arbeit durchgeführten Experimenten mit dem Modell einer Kegelkopfsonde wird deutlich, dass mit invasiven Messmethoden Verluste durch Sekundärströmungen bisher zu hoch beziffert werden. In der Untersuchung dazu weist der Kanalwirbel einen verfrühten Wirbelzusammenbruch auf, wenn er durch das Modell der Sonde gestört wird. Direkt vor der Sonde ist in den PTV-Ergebnissen ein Wirbelzusammenbruch im Blasenmodus zu sehen. Damit wird die Messung von Geschwindigkeiten und Drücken in diesem Gebiet gegenüber der ungestörten Strömung verfälscht. Gitterwirkungsgrade und Verluste werden somit systematisch falsch bestimmt. Aus den PTV-Ergebnissen wird deutlich, dass sich die Wirbeldynamik nicht vernachlässigbar anders verhält als normale Nachläufe, Grenzschichten oder turbulente Bereiche nach einem Umschlag.
Weitere Abweichungen ergeben sich, wenn Sekundärströmungsmodelle bei der Bestimmung der Verlustgrößen mit Hilfe von Totaldruckreferenzwerten am Stufeneintritt nicht berücksichtigt werden. Sie führen so zu einem falschen Verständnis der Verlustentstehung im Umlenkgitter.
Bei einer Gegenüberstellung zweier unterschiedlicher Methoden, den Totaldruck in einer Schnittebene mit Eintrittswerten in Beziehung zu setzen, zeigen sich Abweichungen zwischen den Verlustzahlen von bis zu 50% in der Abschätzung der Verluste unterschiedlicher Strömungsgebiete.
Werte für Dissipation sind im Entstehungsprozess desWirbels, also noch innerhalb der Grenzschichten, hoch und fallen innerhalb der Wirbel auf das Niveau der Hauptströmung und darunter ab. Bisher werden die Grenzschichten und die damit verbundenen Verluste den Sekundärströmungen zugerechnet, die aus diesen Bereichen entstehen.
Eine eindeutige Unterscheidung zwischen Verlusten durch Sekundärströmungen und Verlusten durch Grenzschichten ist nötig, um im Auslegungsprozess gezielt nach aerodynamischen Gesichtspunkten optimieren zu können. Schaufel- und wandgebundene Grenzschichten gehören zu den Bereichen, in denen, soweit keine Transition und Ablösung vorkommt, inhärente Scherspannungsverluste nicht weiter gesenkt werden können. Werden diese Aprioriverluste berücksichtigt, ist das Verbesserungspotential der Sekundärströmungsbeeinflussung einschätzbar.
Die Untersuchung der instationären Interaktion der statornativen Sekundärströmung mit dem Rotor mittels CFD, Tintenvisualisierung und PTV in Wasserkanälen liefert ein phänomenologisches Gesamtbild. Dieses ist essenziell zur Modellbildung, Planung und Auswertung von Messungen und Simulationen, in denen Sekundärströmungen und Wirbelstrukturen auftreten.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen und einer angepassten Modellbetrachtung der Sekundärströmungen ist eine Optimierung und damit eine verbesserte Auslegungsmethodik im Bereich der Turbomaschinen möglich.
| Reihe/Serie | Dissertation Classic ; 1681 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 170 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | 3DPTV • Sekundärströmungen, • Turbinenströmung |
| ISBN-10 | 3-86624-581-5 / 3866245815 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-581-5 / 9783866245815 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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