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voll. Zwar unterscheidet sich die Ausprägung der verschiedenen Sekundärströmungsphänomene
zwischen Turbinen und Verdichtern aufgrund des fundamentalen Unterschiedes im Strömungsfeld,
namentlich einer beschleunigten Strömung in Turbinen im Gegensatz zu einer verzögerten
Strömung in Verdichtern, signifikant. Einige qualitative Gemeinsamkeiten existieren jedoch,
beispielsweise die durch den statischen Druckgradienten zwischen Druck- und Saugseite der
Schaufel getriebene Querkanalströmung. Da die Kontrolle dieser Querkanalströmung ein Ziel
der nicht-achsensymmetrischen Endwandkonturierung in Axialturbinen ist, ist die Annahme
gerechtfertigt, dass gewisse Aspekte der Turbinenkonturierung auch für Verdichter zutreffen.
Weiterhin ist die verfügbare Literatur zur Konturierung in Axialturbinen um ein Vielfaches umfangreicher
als im Verdichterbereich.
Entwicklung
Getrieben durch den anhaltenden Druck zur weiteren Verbesserung der Leistungskenngrößen
für neue Axialturbinen, lag ab den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts ein stärkerer Fokus auf den
Details der Annulusgeometrie und den Möglichkeiten zur Beeinflussung der wandnahen Sekundärströmung.
Insbesondere der Hufeisenwirbel und die Querkanalströmung sollten durch eine
gezielte Konturierung besser kontrolliert werden, um eine Reduktion der Totaldruckverluste
zu erzielen. Dies wurde in einigen Untersuchungen mittels achsensymmetrischer Konturierung
bewerkstelligt [49–52]. In einer Vielzahl von weiteren Veröffentlichungen wurde die Konturierung
auch in Umfangsrichtung variabel gestaltet und als nicht-achsensymmetrische oder
3D-Profilierung bezeichnet. Grundlagenuntersuchungen wurden zunächst an linearen und annularen
Kaskaden durchgeführt [53–55]. Es folgte die Übertragung auf einstufige Forschungsturbinen,
mehrstufige Triebwerksturbinen und schließlich die Anwendung in Produktionstriebwerken
[56–58]. Die Hochdruckturbine des Trent 500 sowie die Niederdruckturbine des Trent
900 sind zwei Beispiele für zivile Flugtriebwerke [59–61]. Ferner sind auch Anwendungen in
stationären Gasturbinen bekannt [62]. Eine genauere Beschreibung der zum gegenwärtigen
Stand der Technik führenden Entwicklung ist in Appendix A.1 gegeben.
Eigenschaften
Aus der vorhandenen Literatur lassen sich einige Eigenschaften der Endwandprofilierung ableiten,
die für die Anwendung und Auslegung in Axialturbinen von Bedeutung sind. Diese Eigenschaften
werden im folgenden Abschnitt kurz diskutiert. Weitere Details sind in Appendix A.2
zu finden. Obwohl nicht zu erwarten ist, dass die Geometrie der Profilierung von Turbinen ohne
weitere Modifikationen auf Verdichter übertragen werden kann, können einige Aspekte zur Vorhersagegenauigkeit
und Auslegungsmethodik als Startpunkt für die Anwendung von profilierten
Endwänden in Axialverdichtern gesehen werden.
Die experimentell verifizierte Verbesserung des Stufenwirkungsgrades durch eine Konturierung
liegt im Bereich von 0,3 % bis 1 %, die relative Reduktion des Totaldruckverlustes einer Schaufelreihe
im Bereich von 5 % bis 50 %. Für die erfolgreiche Auslegung der Konturierung sind
3D-CFD-Simulationen notwendig, da sich nur so der Einfluss der Geometrieänderungen auf das
Strömungsfeld quantitativ bestimmen lässt. Die eigentlichen Zielgrößen Druckverlust und Stufenwirkungsgrad
bzw. deren Änderung konnten bis vor einigen Jahren nicht mit ausreichender
Zuverlässigkeit vorhergesagt werden [63]. Mit der raschen Weiterentwicklung der numerischen
Methoden ist inzwischen auch das Vertrauen bezüglich der Wiedergabe von Verlust- und Wirkungsgradtrends
gestiegen. Zwar gibt es noch Verbesserungsbedarf bei der quantitativ richtigen
Vorhersage der Änderung dieser Parameter. Die qualitative Änderung jedoch hat eine für die
24 7. Stand der Forschung