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A Entwicklung und Eigenschaften der
nicht-achsensymmetrischen
Endwandkonturierung in Axialturbinen
In den folgenden Abschnitten soll ein Überblick über die Entwicklung der Endwandkonturierung
in Axialturbinen sowie eine Aufzählung einiger für die Auslegung und Anwendung relevanter
Eigenschaften gegeben werden. Dies soll dabei helfen, den derzeitigen Stand der Forschung im
Verdichterbereich besser einordnen zu können.
A.1 Entwicklung
Aus der Gesamtheit der gesichteten neueren Literatur zum Thema sind drei Forschergruppen
hervorzuheben. Sie sind mit jeweils mehreren Veröffentlichungen vertreten und veranschaulichen
die Entwicklung und den gegenwärtigen Stand der Forschung. Die jeweiligen Arbeiten
sollen daher in den folgenden Absätzen kurz zusammengefasst werden.
Die Durham Cascade ist eine lineare Niedergeschwindigkeitskaskade an der britischen University
of Durham. Sie ist repräsentativ für einen Hochdruckturbinenrotor. In Zusammenarbeit
mit Rolls-Royce wurden an dieser Kaskade verschiedene Varianten von 3D-Endwandprofilen
untersucht. Veröffentlicht wurden rein numerische Untersuchungen zur Auslegungsmethodik
[181, 182], rein experimentelle [183] sowie gemischte [53, 184–186] Studien. Die Ergebnisse
trugen zum besseren Verständnis der Strömungstopologie mit Konturierung, zur Interaktion
von gleichzeitigen Endwand- und Schaufelmodifikationen sowie zur Vorhersagbarkeit
mittels CFD bei und lieferten wichtige Erkenntnisse für die spätere Anwendung in Turbinen
der Trent-Triebwerksfamilie. Basierend auf einer der erfolgreichen Konturierungen wurde eine
Niedergeschwindigkeits-Forschungsturbine am südafrikanischen CSIR ausgelegt, gebaut und
getestet [187]. Ein konturierter Rotor der Forschungsturbine ist in Abb. 7.1a gezeigt. Neben
der Interaktion der Schaufelreihen [188] wurden hier auch verschiedene Betriebszustände [47]
sowie der Einfluss der Instationarität [56] untersucht.
Eine Reihe von Arbeiten an Hochgeschwindigkeitsprüfständen wurde in Zusammenarbeit
mit MTU Aero Engines durchgeführt. Nagel et al. begannen Anfang der Jahrtausends mit
einer Reihe von Untersuchungen an linearen Hochgeschwindigkeitskaskaden. Die nichtachsensymmetrische
Endwandkonturierung war Teil eines automatischen Auslegungssystems,
dessen Funktionalität anhand der für eine Niederdruckturbine repräsentativen Kaskade T106
numerisch demonstriert wurde [189]. Später durchgeführte Experimente bestätigten die vorhergesagten
Verbesserungen [54, 190]. Eine weiterentwickelte Version des Auslegungssystems
wurde zunächst numerisch an der Kaskade T160 demonstriert [191] und dann zur Konturierung
von Rotor und erstem Stator der 1,5-stufigen Hochgeschwindigkeits-Versuchsturbine LISA
an der ETH Zürich genutzt [57]. Die experimentell nachgewiesene Wirkungsgradsteigerung
von etwa 1 % wurde zum Großteil dem Stator zugeschrieben [192]. Eine Zusammenfassung der
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