Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...
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nächsten Stufen nur wenig nutzbaren und noch dissipierenden Strömungsenergie, und demEntropiezuwachs erfaßt den Strömungszustand umfassend.2.3 BeeinflussungsmaßnahmenDer Einsatz passiver Beeinflussungsmaßnahmen zur Reduzierung der Profil- und Sekundärströmungsverlustedurch geometrische Anpassungen der Schaufelprofile und der Seitenwändesetzt eine genaue Kenntnis der Verlustmechanismen in den Grenzschichten und Sekundärströmungsphänomenenvoraus.Abb. 2.7: Ideale Geschwindigkeitsverteilung für Beschleunigungsgitter, Hoheisel et al. 1986[37] .Die theoretisch optimale Geschwindigkeitsverteilung (siehe Abb. 2.7) ohne saugseitige Verzögerungzur Erzielung der maximalen Enthalpieumsetzung ist in der Praxis nicht realisierbar.Ein wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muß, ist die Belastungsverteilung des Schaufelgitters.Hoheisel et al. 1986 [37] werten hierzu die Strömung im Mittelschnitt dreier hochbelasteter Turbinengitter mit unterschiedlichen Geometrien, aber gleicher Belastung numerischund experimentell aus. Das Turbinengitter T104 ist ein vorne belastetes (front-loaded)Schaufelprofil, die Profile T105 und T106 weisen eine hinten belastete (aft-loaded) Geschwindigkeitsverteilungauf (Abb. 2.8). Es zeigt sich ein großer Einfluß der saugseitigen Geschwindigkeitsverteilungund des Freistrahlturbulenzgrades auf den laminar-turbulenten Übergangund auf die Totaldruckverluste. Ingesamt zeigt das hinten belastete Profil T106 mit einer lan-16
gen laminaren Lauflänge und einer limitierten saugseitigen Verzögerung die besten Ergebnisse.Die Transition erfolgt bei kleinen Reynolds-Zahlen über den Mechanismus derAblöseblase mit Wiederanlegen der Strömung. Das Profil T106 stellt die Basis des Ausgangsturbinengittersder später durchgeführten Optimierung dar.Abb. 2.8: Turbinenprofile T104, T105 und T106, Hoheisel et al. 1986 [37] .Weiß et al. 1993 [80] untersuchten die beiden Gitter T104 und T106 hinsichtlich Ihrer Sekundärströmungsphänomene.Experimentell wurden dazu pneumatische Meßtechnik undÖlanstrichbilder eingesetzt. In beiden Gittern können ein dominierender Kanalwirbel, derEckenwirbel und der saugseitige Ast des Hufeisenwirbels nachgewiesen werden. Die Sekundärströmungenentlasten die Profildruckverteilungen in Seitenwandnähe stark. Es zeigt sich,daß die Profildruckverteilung des vorne belasteten Gitters T104 in der Nähe der Seitenwand imvorderen Bereich entlastet wird und dadurch auch hinten belasteten Charakter aufweist. Insgesamtkommt es aber durch die höhere Belastung des Gitters T104 im vorderen Bereich zu großenQuerdruckgradienten. Der Querdruckgradient wirkt auf eine relativ unbeeinflußteSeitenwandgrenzschicht mit großen Geschwindigkeitsgradienten. Der maximale Querdruckgradienttritt bei hinten belasteten Profilen erst in Schaufelmitte auf und wirkt auf eine sehrdünne neue Seitenwandgrenzschicht (siehe Abb. 2.5). Das stärkere Aufrollen der Grenzschichtenist ursächlich für die größeren Sekundärverluste des vorne belasteten Profils.Eine Möglichkeit, die Belastung der Schaufelprofile in Seitenwandnähe zu ändern ohne dieProfilform zu variieren, kann durch Verändern des radialen Staffelungsverlaufs der Schaufelschnittevorgenommen werden. Durch Umstaffeln von Schaufelschnitten kann die radialeBelastungsverteilung und dadurch die radiale Verteilung des Reaktionsgrades kontrolliert werden(siehe Hourmouziadis et al. 1985 [39]). Ein Kippen des Profils, mit der Druckseite inRichtung des inneren Durchmessers, bewirkt eine Reduzierung der Belastung und des Sekundärverlustesan der Nabe und vergrößert die Verluste am Gehäuse. Ein Kippen der geradenFädelachse aus der rein radialen Richtung wird als lean bezeichnet, eine Durchbiegung derFädelachse wird als bow bezeichnet. Wanjin et al. 1993 [79] vergleichen ein gerade gefädeltes17
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gen laminaren Lauflänge und einer limitierten saugseitigen Verzögerung die besten Ergebnisse.Die Transition erfolgt bei kleinen Reynolds-Zahlen über den Mechanismus derAblöseblase mit Wiederanlegen der Strömung. Das Profil T106 stellt die Basis des Ausgangsturbinengittersder später durchgeführten <strong>Optimierung</strong> dar.Abb. 2.8: Turbinenprofile T104, T105 und T106, Hoheisel et al. 1986 [37] .Weiß et al. 1993 [80] untersuchten die beiden Gitter T104 und T106 hinsichtlich Ihrer Sekundärströmungsphänomene.Experimentell wurden dazu pneumatische Meßtechnik undÖlanstrichbilder eingesetzt. In beiden Gittern können ein dominierender Kanalwirbel, derEckenwirbel und der saugseitige Ast des Hufeisenwirbels nachgewiesen werden. Die Sekundärströmungenentlasten die Profildruckverteilungen in Seitenwandnähe stark. Es zeigt sich,daß die Profildruckverteilung des vorne belasteten Gitters T104 in der Nähe der Seitenwand imvorderen Bereich entlastet wird und dadurch auch hinten belasteten Charakter aufweist. Insgesamtkommt es aber durch die höhere Belastung des Gitters T104 im vorderen Bereich zu großenQuerdruckgradienten. Der Querdruckgradient wirkt auf eine relativ unbeeinflußteSeitenwandgrenzschicht mit großen Geschwindigkeitsgradienten. Der maximale Querdruckgradienttritt bei hinten belasteten Profilen erst in Schaufelmitte auf und wirkt auf eine sehrdünne neue Seitenwandgrenzschicht (siehe Abb. 2.5). Das stärkere Aufrollen der Grenzschichtenist ursächlich für die größeren Sekundärverluste des vorne belasteten Profils.Eine Möglichkeit, die Belastung der Schaufelprofile in Seitenwandnähe zu ändern ohne dieProfilform zu variieren, kann durch Verändern des radialen Staffelungsverlaufs der Schaufelschnittevorgenommen werden. Durch Umstaffeln von Schaufelschnitten kann die radialeBelastungsverteilung und dadurch die radiale Verteilung des Reaktionsgrades kontrolliert werden(siehe Hourmouziadis et al. 1985 [39]). Ein Kippen des Profils, mit der Druckseite inRichtung des inneren Durchmessers, bewirkt eine Reduzierung der Belastung und des Sekundärverlustesan der Nabe und vergrößert die Verluste am Gehäuse. Ein Kippen der geradenFädelachse aus der rein radialen Richtung wird als lean bezeichnet, eine Durchbiegung derFädelachse wird als bow bezeichnet. Wanjin et al. 1993 [79] vergleichen ein gerade gefädeltes17
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