Diffusers increase the power output and cycle efficiency of gas turbines by reducing the backpressure of the turbine, thus, increasing the work extracted from the fluid by the turbine.They are, however, challenging to design. This is due to the inherent predisposition of theflow to separate under the adverse pressure gradients generated by diffusers, hence negatingtheir benefit. This condition of imminent flow separation is aggravated because diffuserdesigners seek ever-shorter diffusers with correspondingly steeper opening angles and, thus,higher adverse pressure gradients, to reduce frictional losses and costs.This work presents a novel theory of turbine–diffuser interaction. More specifically, thistheory addresses the stabilisation of diffuser boundary layers induced by tip-leakage vorticesfrom an upstream rotor.The theory provides a framework to characterise tip-leakage vortices based upon integralstage-design parameters. The stage parameters loading coefficient, flow coefficient, swirl an-gle, and non-dimensional blade-passing frequency have been identified as the determinantsfor the intensity, orientation, and duty cycle of the tip-leakage vortices. These parametershave been condensed into the stabilisation number as a predictor for the inflow-dependentdiffuser performance. Several hypotheses are derived from the theory and subsequentlyconfirmed using partially scale-resolving simulations and experimental data.Additionally, a prediction method for the vortex-induced boundary-layer stabilisation inannular diffusers has been developed. The results of the prediction method are shown to beconsistent with the theory presented.
Diffusoren steigern die Leistung sowie den Wirkungsgrad von Gasturbinen, indem sie denGegendruck der Turbine herabsenken und somit den Arbeitsumsatz in der Turbine erhöhen.Jedoch ist die Auslegung von Diffusoren herausfordernd. Dies ist auf die inhärente Neigungvon Strömungen zurückzuführen, unter Einwirkung adverser Druckgradienten, wie sie inDiffusoren vorliegen, abzulösen und somit den Nutzen des Diffusors zunichte zu machen.Dieser Umstand wird dadurch verschärft, dass kürzere Diffusoren mit folglich größerenÖffnungswinkeln und somit ausgeprägteren adversen Druckgradienten wünschenswertsind, um Totaldruckverluste und Kosten zu senken.Die bisherige Forschung hat gezeigt, dass die Sekundärströmungsstrukturen in der Ab-strömung der Turbine durchaus positiv auf die Grenzschicht des Diffusors einwirken können.In dieser Arbeit wird eine neuartige Theorie der Turbine-Diffusor-Interaktion vorgestellt.Genauer gesagt, adressiert diese Theorie die Stabilisation der Diffusor-Grenzschichten durchRadialspaltwirbel eines stromauf liegenden Rotors.Die Theorie liefert ein Grundgerüst für die Charakterisierung des Radialspaltwirbelsbasierend auf integralen Stufenkennzahlen. Die Stufenkennzahlen Leistungszahl, Durch-flusszahl, Abströmwinkel und dimensionslose Schaufelwechselfrequenz wurden als dieausschlaggebenden Faktoren der Intensität, Orientierung sowie des Tastgrads der Radi-alspaltwirbel identifiziert. Diese Parameter wurden zu einer Stabilisationskennzahl zusam-mengeführt, welche als Vorhersagewerkzeug für die zuströmbedingungsabhängige Leis-tungsfähigkeit des Diffusors dient. Eine Reihe an Hypothesen wird aus der Theorie abgeleitetund anschließend anhand partiell skalenauflösender Simulationen sowie experimentellerDaten bestätigt.Zusätzlich wurde eine Vorhersagemethode für die wirbelinduzierte Grenzschichtstabilisa-tion in Ringdiffusoren entwickelt. Es wird gezeigt, dass deren Ergebnisse zur vorgestelltenTheorie konsistent sind.