Numerische Optimierung dreidimensional parametrisierter ...
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seitenwandnahen Bereich möglich. Dieses Konzept muß jedoch mit einer Schaufelgestaltungeinhergehen, die die Randzonen entlastet.Abb. 2.15: Optimierte Seitenwand im ebenen Kanal, Pioske et al. 1999 [56] .Die Betrachtung der Verluste ergab für alle dreidimensionalen Seitenwandgestaltungen eineVerschlechterung gegenüber der ebenen Seitenwand. Es konnte allerdings eine Konturierunggefunden werden, die eine deutliche Reduzierung der Sekundärströmungen bewirkt. Die dreidimensionalenSeitenwände weisen hierbei in dem vorderen Schaufelbereich eine Vertiefungder Nabe auf der Saugseite und kurz vor der Hinterkante einen positiven bump auf der Saugseiteauf (Abb. 2.15).Durch die optimierte Seitenwand wurde die Belastung des Gitters in Richtung Hinterkante verschoben.Diese optimierte Seitenwand wurde auf ein Ringgitter übertragen. Untersuchungeneiner ganzen Stufe ergaben jedoch keine Reduzierung der Verluste im Leitrad selbst. Durch dasverlustmindernde Potential der Anströmung des Rotors, mit reduzierter Sekundärströmung,wurden aber die Verluste im Rotor verkleinert und dadurch der Gesamtstufenwirkungsgrad mitder optimierten Seitenwand erhöht. Im Wasserkanal wurden die Strömungen mittels Zugabevon Farbstoffen und durch das Aufbringen von zähen Farbpigmenten auf die benetzten Flächenvisualisiert und fotografiert. Die trotz geringerer Reynolds-Zahl gut mit den numerischenErgebnissen übereinstimmenden Versuche ergaben, daß der Einfluß der Erhöhung im hinterenKanalteil geringer ist als der Einfluß der Aushöhlung im vorderen Kanalteil. Generell bewirkendie Konturierungen eine Modifikation der Phänomene der Seitenwandgrenzschicht, derEinfluß der Seitenwandkonturierung auf die Kernströmung ist dabei gering.Eine exemplarische Studie einer dreidimensionalen Schaufelblattgestaltung wurde von Walliset al. 1998 [77] durchgeführt. Die Arbeit beschreibt eine Strategie für die Konstruktion von26
neuen dreidimensionalen Schaufeln für eine vierstufige Hochdruck-Dampfturbine. Durch dasgeringe Schaufelseitenverhältnis ist die Sekundärströmung dabei maßgebend für das gesamteStrömungsfeld. Im Ausgangsprofil findet sich im Mittelschnitt kein Bereich zweidimensionalerStrömung. Eine optimale Profildruckverteilung oder Geschwindigkeitsverteilung war nichtbekannt und konnte deswegen nicht als Ziel gesetzt werden. Eine direkte Vorgabe einer optimalenVerteilung hängt immer stark vom jeweiligen Entwurfsingenieur ab. Die Schaufelgitterwurden deswegen mit dem Ziel einer möglichst homogenen Abströmung neu entworfen. DasEntwurfskonzept basiert auf einer radialen Veränderung des Schaufelaustrittswinkels, um einemöglichst gleichmäßige Strömung am Austritt einer jeden Schaufelreihe zu erhalten. Durchdie verbesserte Anströmung der einzelnen Gitter kam es zu einer deutlichen Reduzierung derintegralen Verluste. Der Turbinenwirkungsgrad stieg durch die neue Beschaufelung gegenüberden vorhergehenden zweidimensional ausgelegten Schaufelprofilen um 2 % an. Messungenergaben eine gleichmäßigere Strömung, aber nicht so gleichmäßig wie durch die Berechnungenvorhergesagt. Erklärt wurde dieses durch die Überkompensierung der Überumlenkung dernachfolgenden Stufen, welche durch die Sekundärströmungen produziert wird. Trotz dieserErkenntnis wird die radiale Vergleichmäßigung der Strömung als effektive dreidimensionaleMethode zur Verbesserung der Leistung bei low aspect ratio 16 Schaufeln angesehen.Das größte Potential einer gezielten Beeinflussung der Sekundärströmungsmechanismenergibt sich bei einer kombinierten Modifikation der Seitenwände und einer auf den Meridionalkanalund die Seitenwandform abgestimmten dreidimensionalen Profilierung des Schaufelblatts.Ein Ansatz in dieser Richtung wird von Duden et al. 1998 [20] veröffentlicht. In der Arbeiterfolgt eine Neukonstruktion einer hoch belasteten Turbinenkaskade mit divergierenden Seitenwändenzur Reduzierung der Sekundärströmung mittels Seitenwand-Konturierung unddreidimensionaler Schaufelauslegung im Seitenwandbereich. Der Mittelschnitt wird nichtvariiert. Die Gesamtbelastung und das axiale Flächenverhältnis wird dabei konstant gehalten.Die Auslegungsrechnungen erfolgen hauptsächlich durch quasi-dreidimensionale Rechenverfahren.Bei größeren geometrischen Variationen erfolgte ein Abgleich durch dreidimensionaleNavier-Stokes-Rechnungen. Zwei der optimierten Auslegungen wurden im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanaldes Instituts für Strahlantriebe experimentell untersucht. Bei den Messungenwurde pneumatische Meßtechnik eingesetzt und Ölanstrichbilder angefertigt. DieStrömung im Mittelschnittsbereich ist zweidimensional. Dadurch konnte parallel eine reinedreidimensionale Schaufelprofilierung in Seitenwandnähe und eine dreidimensionale Schaufelprofilierungin Seitenwandnähe kombiniert mit einer axialen Seitenwandkonturierung untersuchtwerden (Abb. 2.16).16. low aspect ratio kennzeichnet ein Schaufelgitter mit geringem Schaufelhöhenverhältnis.27
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seitenwandnahen Bereich möglich. Dieses Konzept muß jedoch mit einer Schaufelgestaltungeinhergehen, die die Randzonen entlastet.Abb. 2.15: Optimierte Seitenwand im ebenen Kanal, Pioske et al. 1999 [56] .Die Betrachtung der Verluste ergab für alle <strong>dreidimensional</strong>en Seitenwandgestaltungen eineVerschlechterung gegenüber der ebenen Seitenwand. Es konnte allerdings eine Konturierunggefunden werden, die eine deutliche Reduzierung der Sekundärströmungen bewirkt. Die <strong>dreidimensional</strong>enSeitenwände weisen hierbei in dem vorderen Schaufelbereich eine Vertiefungder Nabe auf der Saugseite und kurz vor der Hinterkante einen positiven bump auf der Saugseiteauf (Abb. 2.15).Durch die optimierte Seitenwand wurde die Belastung des Gitters in Richtung Hinterkante verschoben.Diese optimierte Seitenwand wurde auf ein Ringgitter übertragen. Untersuchungeneiner ganzen Stufe ergaben jedoch keine Reduzierung der Verluste im Leitrad selbst. Durch dasverlustmindernde Potential der Anströmung des Rotors, mit reduzierter Sekundärströmung,wurden aber die Verluste im Rotor verkleinert und dadurch der Gesamtstufenwirkungsgrad mitder optimierten Seitenwand erhöht. Im Wasserkanal wurden die Strömungen mittels Zugabevon Farbstoffen und durch das Aufbringen von zähen Farbpigmenten auf die benetzten Flächenvisualisiert und fotografiert. Die trotz geringerer Reynolds-Zahl gut mit den numerischenErgebnissen übereinstimmenden Versuche ergaben, daß der Einfluß der Erhöhung im hinterenKanalteil geringer ist als der Einfluß der Aushöhlung im vorderen Kanalteil. Generell bewirkendie Konturierungen eine Modifikation der Phänomene der Seitenwandgrenzschicht, derEinfluß der Seitenwandkonturierung auf die Kernströmung ist dabei gering.Eine exemplarische Studie einer <strong>dreidimensional</strong>en Schaufelblattgestaltung wurde von Walliset al. 1998 [77] durchgeführt. Die Arbeit beschreibt eine Strategie für die Konstruktion von26
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