Arbeitsgebiet Tandemgitter
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 insbesondere Tandem-Gitter.
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.
Bild 1 zeigt das 2D-Strömungsverhalten eines Einzel-Gitters im Vergleich zu dem eines Tandem-Gitters für dieselbe Umlenkaufgabe. Die Farbgebung entspricht den auftretenden Druckverlusten.
Die 2D-Tandem-Gitterströmung ist bereits oft Gegenstand der Forschung gewesen.
Vornehmlich wurde der Einfluss der relativen Lage der beiden Gitter zueinander, definiert durch die Parameter a und h (siehe Bild 2), sowie die Aufteilung der Umlenkungen (bzw.
aerodynamischen Belastungen) auf Gitter I und II auf die Verlustentstehung untersucht. Ein großer Anteil der entstehenden Verluste entsteht jedoch durch Sekundärströmungen, die von den Wänden (Nabe und Gehäuse) ausgehen. Deren Einfluss auf das Verlustverhalten, sowie die idealen Parameter für die Lage und die Lastaufteilung der beiden Gitter in Wandnähe sind jedoch bisher weitgehend unbekannt.
Am Lehrstuhl für Strömungsmechanik wird der Wandeinfluss auf die Strömungsverhältnisse am Tandemgitter aufbauend auf Ergebnissen von 2D-Strömungsuntersuchungen sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Es wird ermittelt, wie die Sekundärströmung in Wandnähe strukturiert ist und wie die Strömungsverluste in Wandnähe entstehen. Von entscheidender Bedeutung ist dabei das Strömungsphänomen „Corner Stall“, das in Bild 3 exemplarisch dargestellt ist.
Zur Beschreibung der Strömungsphänomene wird versucht, die für Einzelgitter existierenden Kriterien auf Tandemgitter anzuwenden bzw. zu erweitern.
Hierzu werden umfangreiche numerische Simulationsrechnungen und Fünflochsondenmessungen im Gitterkanal durchgeführt. Die Struktur der Sekundärströmung wird zusätzlich mittels Ölanstrichbildern auf den Seitenwänden des Gitterkanals und den Profilen visualisiert.