Einfluss von Sekundärströmungen auf den Druckrückgewinn in Axialdiffusoren

Abstract

Für die Auslegung von effizienten Turbinendiffusoren müssen die Abströmbedingungen der vorgeschalteten Turbine mit einbezogen werden. Dabei ist es wichtig, die sich aus der Abströmung ergebenden instationären Effekte und Sekundärströmungen zu berücksichtigen. Diese haben einen erheblichen Einfluss auf die Stabilisierung der Grenzschicht und damit auf den erzielten Druckrückgewinn im Diffusor. Um den Einfluss von Sekundärströmungen auf den Druckrückgewinn zu untersuchen, werden am Diffusorprüfstand des Instituts für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik der Leibniz Universität Hannover unterschiedliche Abströmbedingungen aus einer Turbinenstufe nachgebildet. Dafür kommen ein turbomaschinenähnlicher Rotor mit NACA-Profilen und zwei Rotoren mit zylindrischen Speichen zum Einsatz. Durch die Variation der Drehzahl und des Massenstroms wird ein breites Spektrum an Zuströmbedingungen für den nachgeschalteten Ringdiffuusor generiert. Für den Ringdiffuusor werden zwei Geometrien mit 15 ° und 20° halbem Öffnungswinkel verwendet. Durch den Einsatz von instationär messenden dreidimensionalen Hitzdrahtsonden und instationären Druckaufnehmern im Gehäuse werden die instationären Strömungsphänomene im gesamten Ringdiffusor aufgelöst. Entscheidend für die Stabilisierung der gehäuseseitigen Grenzschicht ist der Transport von kinetischer Energie aus der Hauptströmung in die Grenzschicht. Die Strömungsbedingungen in der Nähe des Gehäuses am Diffusoreintritt haben dabei einen entscheidenden Einffluss auf die Ausprägung der gehäuseseitigen Grenzschicht. In Überlastpunkten des NACA-profilierten Rotors bilden sich an den Schaufelspitzen Wirbelstrukturen aus, die im Ringdiffusor einen Transport von energiereicher Strömung in die Grenzschicht gewährleisten und dadurch zu einem erhöhten Druckrückgewinn führen. Der Eintrag von turbulenter kinetischer Energie in der gehäusenahen Strömung im Diffusoreintritt kann isoliert für die eingesetzten Rotoren linear mit dem Druckrückgewinn im Ringdiffusor korreliert werden. Die Schubspannungen in der gehäusenahen Strömung im Diffusoreintritt werden für den 20°-Ringdiffusor über eine logarithmische Funktion mit dem erzielten Druckrückgewinn korreliert. Diese Korrelation erfolgt unabhängig vom eingesetzten Rotor und bildet damit einen Zusammenhang, der ausschließlich von den auftretenden Strömungsphänomen und nicht von der Geometrie des Rotors abhängig ist. Für alle untersuchten Betriebspunkte liegt eine anisotrope Turbulenz vor. Beim Einsatz des turbomaschinenähnlichen NACA-profilierten Rotors wird für die Betriebspunkte, die einen Druckrückgewinnkoeffizienten >0.35 erreichen, eine axialsymmetrische Turbulenz mit einer höheren Schwankungsgröße in radialer Richtung nachgewiesen.