Numerische und experimentelle Untersuchungen der 3D-Grenzschichtströmung in Wandnähe hochumlenkender Tandem-Gitter

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Um axiale Strömungsmaschinen mit einer geringen Stufenanzahl auszulegen, ist es erforderlich, Schaufelprofile für große Strömungsumlenkungen mit kleinen Strömungsverlusten zu entwickeln. Eine Reduzierung der Stufenanzahl erhöht in der Regel die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad der Maschine. Der Trend höhere Stufendruckverhältnisse zu verwirklichen, was eine Reduzierung der Stufenanzahl bewirkt, hat in jüngster Zeit wieder an Bedeutung gewonnen, da die Industrie wegen abnehmender Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen axiale Turbomaschinen optimiert. Eine Erhöhung des Stufendruckverhältnisses kann entweder durch eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelblätter und/oder durch höhere Umlenkungen der Strömung (Relativströmung im Rotor bzw. Absolutströmung im Stator) bewirkt werden. Für die Realisierung großer Umlenkungen (>50°) eignen sich insbesondre Tandem-Gitter (s. dazu Bild 1) [1], [2]. Bei der Anwendung von Tandembeschaufelungen wird die Umlenkung der Strömung auf zwei Schaufelblätter bzw. -gitter aufgeteilt. Das in Strömungsrichtung liegende hintere Schaufelprofil besitzt im Vorderkantenbereich dünne Grenzschichten. Folglich wird die in Strömungsrichtung restliche Umlenkung mit nahezu unbelasteten Grenzschichten realisiert.Die 2D-Tandem-Gitterströmung ist bereits oft Gegenstand der Forschung gewesen. Vornehmlich wurde der Einfluss die relative Lage der beiden Gitter zueinander, definiert durch die Parameter a und h (s. Bild 1), sowie die Aufteilung der Umlenkungen (bzw. aerodynamischen Belastungen) auf Gitter l und II auf die Verlustentstehung untersucht. In dem vorliegenden Forschungsvorhaben soll aufbauend auf den Ergebnissen der 2D-Strömungsuntersuchungen die Strömung in Wandnähe sowohl numerisch als auch experimentell untersucht werden. Es soll herausgefunden werden, wie die Sekundärströmung in Wandnähe strukturiert ist und wie die Strömungsverluste in Wandnähe entstehen. Für die beschriebene Aufgabe sollen umfangreiche numerische Simulationsrechnungen und Fünflochsondenmessungen im Gitterkanal durchgeführt werden. Die Struktur der Sekundärströmung soll zusätzlich mittels Ölanstrichbildern auf den Seitenwänden des Gitterkanals und den Profilen visualisiert werden. Die experimentellen Ölanstrichbilder sollen mit Stromlinienbildern (Schubspannungslinien), die numerisch für die Wandnähe ermittelt werden, verglichen werden.