Der High-Speed Turbinen-Prüfstand
Der High-Speed Turbinen-Prüfstand ist als druckbeaufschlagter Open-Loop-Windkanal konzipiert und wird für Untersuchungen zur Filmkühlung in Turbinenleitschaufeln eingesetzt. Das in der folgenden Abbildung dargestellte Flussdiagramm des Turbinenprüfstands kann in den Hauptstrom und den Kühlmittelstrom unterteilt werden. Der Hauptstrom wird von einem Schraubenverdichter bereitgestellt, der einen Massenstrom von bis zu 2,2 kg/s bei einem maximalen Druckverhältnis von 2,5 liefert. Zur Erweiterung des Betriebsbereichs kann der Hauptstrom zeitweise auch über einen gedrosselten Druckbehälter unterstützt werden. Nach einer Venturidüse zur Bestimmung des Massenstroms kann der Hauptstrom über einen speziell angefertigten Gasbrenner bei maximaler Verdichterleistung auf bis zu 400 °C erhitzt werden. Der Kühlmittelstrom wird entweder aus einem Druckluftsystem oder aus Flaschengas bereitgestellt, das für die Anwendung der Pressure Sensitive Paint Messtechnik erforderlich ist.
Die gekrümmte Sektor-Kaskade mit konturierten Seitenwänden
Eine effektive Kühlung der Seitenwand kann erreicht werden, indem konstruktionsbedingt vorhandene Spalte zwischen Turbinenkomponenten für die Kühlmitteleinblasung genutzt werden. Für die Dimensionierung ist es wichtig, den Einfluss der Spaltgeometrie und der kühlmittelbezogenen Parameter sowohl auf die Verteilung und Konzentration des Kühlfilms als auch auf die Wärmeübertragung zu verstehen. Um den Einfluss des radialen Druckgradienten auf die Sekundärströmung und damit auf die Filmkühlleistung zu berücksichtigen, wurde eine gekrümmte Sektor-Kaskade entwickelt und in den High-Speed-Turbinen-Prüfstand des Instituts integriert.
Die Kaskade ist mit vier modernen Leitschaufeln mit achsensymmetrisch konturierten Seitenwänden ausgestattet. Ein austauschbarer Einsatz in der zentralen Passage ermöglicht die Untersuchung verschiedener stromaufwärts gelegener Spaltgeometrien. Um sowohl die thermischen als auch die aerodynamischen Aspekte der Filmkühlung zu untersuchen, kommen eine Vielzahl an Messtechniken, wie z.B. Fünflochsonden, Pressure Sensitive Paint und Infrarot-Thermografie, zum Einsatz.
Sekundärströmungen in Turbinen-Kaskaden
Sekundärströmungen spielen nicht nur eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Druckverlusten, sondern haben auch einen erheblichen Einfluss auf die Wärmebelastung von Schaufel und Seitenwand. Darüber hinaus wird die Filmkühlung durch die Sekundärströmung erheblich beeinträchtigt, da sie die Ausbreitung des Kühlfilms einschränkt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kühlluft aus einem stromaufwärts gelegenen Schlitz zum Schutz der Seitenwand eingebracht wird. Gleichzeitig kann die Einblasung von Kühlluft die Sekundärströmungen verändern.
Ein vereinfachtes Modell typischer Sekundärströmungen in einer Turbinenkaskade ist im linken Teil der oberen Abbildung dargestellt: Die einströmende Grenzschicht rollt sich um den Staupunkt der Schaufel zum sogenannten Hufeisenwirbel auf. Sein druckseitiger Ast verbindet sich mit der Passagen-Querströmung zum Passage-Wirbel. Der saugseitige Ast des Hufeisenwirbels wird um die Vorderkante zur Saugseite umgelenkt und tritt im Nachlauf als Wandwirbel in Erscheinung.
Obwohl Aussagen zur Kühlluft-Verteilung auf der Seitenwand nicht verallgemeinert werden können, da sie stark von injektions- und spaltbezogenen Parametern abhängt, wird eine angewinkelte Einblasung bei kleinem bis mittleren Kühlluft-Impuls in der Regel zu einer Verteilung führen, die im rechten Teil der oberen Abbildung schematisch dargestellt ist: Während der Staudruck im Bereich der Vorderkante einem gleichmäßigen Kühlluftaustritt entgegenwirkt, wird die Kühlluftausbreitung im vorderen Teil der Passage durch das Hufeisenwirbelsystem begrenzt. Dies hat zur Folge, dass der Bereich um die Vorderkante, die Druckseite sowie der stromabwärts gelegene Teil der Seitenwand keine nennenswerte Kühlung erfahren.
Die gekrümmte Teststrecke
Die folgende Abbildung zeigt den Prüfstand aus der Sicht des Deckbands (Shroud), wobei die Strömung von rechts nach links erfolgt. Ein geschweißter Übergangskanal (1) überführt den kreisförmigen Querschnitt in ein Kreisringsegment von 60°. Daran schließt sich das erste Einlaufsegment zur Strömungskonditionierung an, das ein Turbulenzsieb (2) sowie einen Gleichrichter (3) beherbergt. Mithilfe einer dort integrierten Prandtl-Sonde können die Eintrittsbedingungen überwacht werden. Zur Einstellung eines definierten Turbulenzgrades am Eintritt in die Kaskade ist zwischen dem ersten und zweiten Einlaufsegment ein als Zwischenflansch ausgeführtes Turbulenzgitter (4) montiert. Unmittelbar vor dem Eintritt in die Kaskade ist eine Grenzschichtabsaugung (5) installiert. Hier wird die ankommende Grenzschicht über umlaufende Scherbleche abgeschieden, in Kavitäten gesammelt und über radiale Bohrungen abgeführt. Der abgesaugte Massenstrom kann an der Nabe und am Deckband über integrierte Blenden (11) und Stellventile unabhängig voneinander gemessen und eingeregelt werden.
Das Kaskaden-Casing enthält nicht nur die Turbinenleitschaufel-Kaskade mit fünf Passagen, sondern integriert auch die notwendige Instrumentierung für die Fünflochsonden-Messungen und die Anwendung von PSP und IR-Thermografie. Die konturierten Seitenwände des Deckbands sind als gefräste Einsätze (6) ausgeführt, die durch Klemmbacken gehalten werden. Mit Hilfe von Druckmessstellen, die am Ein- und Austritt der Kaskade über den Umfang verteilt sind, können die Betriebsbedingungen überwacht werden. Ein numerisch optimiertes Plenum (7) ermöglicht eine gleichmäßige Beschickung des Kühlluft-Spalts über dessen gesamte Länge sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Kühlluft-Massenströmen. Die Konstruktion macht sich eine poröse Hülse zu Nutze, durch die das Kühlmittel gleichmäßig in das Plenum eingeleitet wird. Stromabwärts der Kaskade leitet ein linearer Übergang (8) den Hauptstrom zum Abströmkessel (9), der die Strömung sammelt und in den Kamin (10) leitet.
Das geschweißte Kaskaden-Casing beinhaltet sowohl die Schaufeln als auch die oberen und unteren Kaskadenbegrenzungen mit den festen und verstellbaren Tailboards. Außerdem bietet es einen optischen Zugang für die PSP- und IR-Messungen und integriert das Traversiersystem, mit dem die Fünflochsonden am Ein- und Austritt unabhängig voneinander in radialer und in Umfangsrichtung verfahren werden können.
Bei Fragen zum Prüfstand wenden Sie sich bitte an Christian Landfester.
Bilder der gekrümmten Teststrecke
Danksagung
Wesentliche Teile der gekrümmten Teststrecke wurden im Rahmen des AG-Turbo-Vorhabens EcoFlex-turbo KüpLe 3.2 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Wir bedanken uns außerdem für die finanzielle und fachliche Unterstützung der MAN Energy Solutions SE.