Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...
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Abb. 2.11: Sekundärströmungseffekte in der Schaufelgitterabströmung für zweiKonfigurationen von Grenzschichtzäunen, Doerffler et al. 1994 [15] .Andere Ansätze zielen direkt auf die Modifikation der Profil- und Seitenwandgeometrie. Saueret al. 2000 [61] veröffentlichten vielversprechende Resultate von Seitenwandprofilierungen.Sie positionierten eine Vorderkantenauswölbung an einer Seitenwand-Schaufelprofil-Verbindungbei einer Turbine mit stark gekrümmtem Schaufelprofil in einem ebenen Gitter. Ihre Bugwulstgeometrie,analog zu einem bulb bei einem Schiffsbug zur Bugwellenhemmung, hatseine größte Dicke auf der Seitenwand und verläuft in radialer Richtung in die normale Vorderkante.Die Aufdickung ist dabei auf der Saugseite stärker gestaltet als auf der Druckseite. DieUrsache für die bemerkenswerte Reduktion der Seitenwandverluste ist, daß der Bugwulst densaugseitigen Hufeisenwirbelast verstärkt, wodurch der entgegengesetzt rotierende Kanalwirbelreduziert wird. In Anlehnung an die ersten Ergebnisse der Arbeit von Sauer et al. wurde vonWischmeier 1996 [81] eine numerische Untersuchung an vier dafür ausgelegten Gittern mitunterschiedlichen Wandübergängen, mit gleichem Mittelschnitt, durchgeführt. Die Berechnungenerfolgten mittels eines dreidimensionalen Eulerverfahrens unter Vorgabe der Scherfaktorenaus Schubspannungsverläufen an den festen Wänden. Das Eulerverfahren wurde durchNachrechnungen des experimentell bekannten Gitters T106 kalibriert. Das Gitter T112 wurdemit einem dünnen Mittelschnitt mit 7,5 % relativer Dicke ausgelegt. Das Gitter T112WAwurde bis auf 10 % halber Kanalhöhe an der Seitenwand aufgedickt. Das erste Viertel der Aufdickunghat eine konstante relative Dicke von ca. 26 %. Darüber geht die Aufdickung dannmittels einer Kosinusfunktion in die Schaufel über. Das Gitter T112WB geht von der Seitenwandvom Profil T112W kontinuierlich in das Mittelschnittsprofil über. Beide Variationen20
wurden jeweils einmal über die Vorder- und einmal über die Hinterkante aufgefädelt. Die überdie Vorderkante gefädelten Gitter zeigen die geringsten Abweichungen des Abströmwinkels inUmfangsrichtung. Die geringsten Abweichungen und Verluste zeigt das Gitter T112WA, allerdingsauf Kosten eines ausgeprägten Hinterkantenwirbels.In der Literatur finden sich viele Untersuchungen, die eine Beeinflussung des Verlustverhaltensdurch eine Änderung des Meridionalkanals durchführen. In vielen Fällen erfolgt dieÄnderung der Naben- bzw. Gehäusekontur allerdings ohne eine Anpassung der Profilform inSeitenwandnähe. Durch eine Einschnürung der Stromlinien im Bereich des Gitters durch denMeridionalkanal kommt es im Fall eines vorne belasteten Gitters zu einer Belastungsänderungim Bereich der Seitenwand nach hinten. Ein dermaßen generiertes, hinten belastetes Gitterweist geringere Verluste auf und führt dadurch zu einer positiven Bewertung der Seitenwandkonturierung.Ein Beispiel dieser Vorgehensweise ist z. B. von Dossena et al. 1998 [17] durchgeführtworden. Es wurde ein Vergleich zwischen einem ebenen Gitter mit gerader Seitenwandund einem Gitter mit einschnürend wirkender konturierter Seitenwand durchgeführt. Das Gitterhat mit gerader Seitenwand eine vorn belastete Belastungsverteilung. Windkanalmessungenmit pneumatischer Meßtechnik und dreidimensionale Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Rechnungen unter Einsatz des k-ω−Turbulenzmodells ergaben eine wesentliche Leistungsverbesserungdes konturierten hinten belasteten Gitters. Die niedrigere Eintrittsgeschwindigkeitund eine größere Strömungsbeschleunigung führt zu reduzierten Schaufel- und Seitenwandgrenzschichten.Dabei kam es sowohl zu einer Reduzierung der Sekundär- als auch der Profilverluste.Die gleiche Seitenwandkonturierung kann für ein hinten belastetes Profil allerdingsbereits zu einer Überlastung durch eine Strömungsablösung ohne Wiederanlegen, einem starkenVerlustanstieg und dadurch zu einer negativen Beurteilung führen. Eine getrennte Betrachtungvon Schaufelprofil und axialer Meridionalkanalgestaltung erscheint aus diesem Grundnicht sinnvoll.Ein sehr vielversprechender Aspekt der passiven Strömungsbeeinflussung stellt die Auslegungvon umfangsunsymmetrischen Seitenwandkonturen dar. Die Anwendung einer solchen Konturierungerfordert zwar den Einsatz relativ vieler zusätzlicher Freiheitsgrade, ist aber aufgrundder vielfach gegossenen Schaufelplattformen aus Kostenaspekten durchaus einsetzbar.Einer der ersten der die Idee aufgegriffen hat, die Sekundärströmungen durch eine umfangsunsymmetrischeGestaltung der Seitenwände zu beeinflussen, war Bischoff 1983 [8]. Die Ideevon Bischoff war, den Querdruckgradienten zwischen Druck- und Saugseite an der Seitenwandzu beeinflussen.21
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wurden jeweils einmal über die Vorder- und einmal über die Hinterkante aufgefädelt. Die überdie Vorderkante gefädelten Gitter zeigen die geringsten Abweichungen des Abströmwinkels inUmfangsrichtung. Die geringsten Abweichungen und Verluste zeigt das Gitter T112WA, allerdingsauf Kosten eines ausgeprägten Hinterkantenwirbels.In der Literatur finden sich viele Untersuchungen, die eine Beeinflussung des Verlustverhaltensdurch eine Änderung des Meridionalkanals durchführen. In vielen Fällen erfolgt dieÄnderung der Naben- bzw. Gehäusekontur allerdings ohne eine Anpassung der Profilform inSeitenwandnähe. Durch eine Einschnürung der Stromlinien im Bereich des Gitters durch denMeridionalkanal kommt es im Fall eines vorne belasteten Gitters zu einer Belastungsänderungim Bereich der Seitenwand nach hinten. Ein dermaßen generiertes, hinten belastetes Gitterweist geringere Verluste auf und führt dadurch zu einer positiven Bewertung der Seitenwandkonturierung.Ein Beispiel dieser Vorgehensweise ist z. B. von Dossena et al. 1998 [17] durchgeführtworden. Es wurde ein Vergleich zwischen einem ebenen Gitter mit gerader Seitenwandund einem Gitter mit einschnürend wirkender konturierter Seitenwand durchgeführt. Das Gitterhat mit gerader Seitenwand eine vorn belastete Belastungsverteilung. Windkanalmessungenmit pneumatischer Meßtechnik und <strong>dreidimensional</strong>e Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Rechnungen unter Einsatz des k-ω−Turbulenzmodells ergaben eine wesentliche Leistungsverbesserungdes konturierten hinten belasteten Gitters. Die niedrigere Eintrittsgeschwindigkeitund eine größere Strömungsbeschleunigung führt zu reduzierten Schaufel- und Seitenwandgrenzschichten.Dabei kam es sowohl zu einer Reduzierung der Sekundär- als auch der Profilverluste.Die gleiche Seitenwandkonturierung kann für ein hinten belastetes Profil allerdingsbereits zu einer Überlastung durch eine Strömungsablösung ohne Wiederanlegen, einem starkenVerlustanstieg und dadurch zu einer negativen Beurteilung führen. Eine getrennte Betrachtungvon Schaufelprofil und axialer Meridionalkanalgestaltung erscheint aus diesem Grundnicht sinnvoll.Ein sehr vielversprechender Aspekt der passiven Strömungsbeeinflussung stellt die Auslegungvon umfangsunsymmetrischen Seitenwandkonturen dar. Die Anwendung einer solchen Konturierungerfordert zwar den Einsatz relativ vieler zusätzlicher Freiheitsgrade, ist aber aufgrundder vielfach gegossenen Schaufelplattformen aus Kostenaspekten durchaus einsetzbar.Einer der ersten der die Idee aufgegriffen hat, die Sekundärströmungen durch eine umfangsunsymmetrischeGestaltung der Seitenwände zu beeinflussen, war Bischoff 1983 [8]. Die Ideevon Bischoff war, den Querdruckgradienten zwischen Druck- und Saugseite an der Seitenwandzu beeinflussen.21
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