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

  • Tandembeschaufelungen werden in Axialverdichtern dort eingesetzt, wo große Strömungsumlenkungen realisiert werden müssen. Beschaufelungen, bei denen die gesamte Umlenkung mit nur einem Schaufelprofil realisiert wird, stoßen dabei schnell an ihre aerodynamischen Grenzen, da es bei hohen Umlenkungen zu Grenzschichtablösung kommen kann. In Tandembeschaufelungen wird die Umlenkaufgabe auf zwei Schaufelprole aufgeteilt. An der Vorderkante des in Strömungsrichtung liegenden hinteren Schaufelprofils existiert eine frische, dünne und ungestörte Grenzschicht für die restliche Umlenkung. Die Auslegung einer Verdichterbeschaufelung erfolgt gewöhnlich in mehreren koaxialen Schnitten. Wickelt man einen solchen koaxialen Schnitt in eine Ebene ab, so erhält man ein sogenanntes Schaufelgitter. Die Überlegenheit von Tandemgittern bezüglich Einzelgittern bei großen Umlenkungen wurde für zweidimensionale Strömungen bereits häufig in der Literatur gezeigt. Ebenso sind für zweidimensionale Strömungen durch Tandemgitter die idealen Parameter für die relative Position der einzelnen Schaufelreihen zueinander und die Aufteilung der aerodynamischen Last auf die einzelnen Schaufelreihen bekannt. Da hohe Umlenkungen meist in den letzten Stufen von mehrstufigen Axialverdichtern gefordert sind, wo die Schaufelhöhenverhältnisse klein sind, wird der Einfluss der Seitenwände (Nabe und Gehäuse) groß und kann deshalb nicht mehr vernachlässigt werden. Bisher gibt es allerdings wenig Informationen über die Strömungsstruktur in Tandemgittern an der Seitenwand und das dreidimensionale Strömungsverhalten. Es ist daher nicht klar, ob Tandemgitterkonfigurationen, die für zweidimensionale Strömungen die geringsten Verluste erzeugen, auch in dreidimensionalen Strömungen minimale Verluste verursachen. In dieser Arbeit werden die experimentellen und numerischen Ergebnisse von vier Tandemgitterkonfigurationen und einem Referenz-Einzelgitter vorgestellt. Die Gitter bestehen aus NACA 65 Profilen mit kleinem Schaufelhöhenverhältnis. Die Auslegung der Gitter erfolgte unter Berücksichtigung empirischer Korrelationen von Lieblein und Lei. Die Tandemgitter unterscheiden sich im Teilungsverhältnis der einzelnen Schaufelreihen und im Percent Pitch (PP). Alle Gitter bewirken eine Strömungsumlenkung von annähernd 50 Grad bei einer Reynoldszahl von 8x10^5. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Strömung in Tandemgittern strukturiert ist und insbesondere wie die Sekundärströmung in Tandemgittern entsteht. Anhand der Strömungsstruktur, die mit Hilfe von numerischen und experimentellen Ölanstrichbildern der Seitenwand und der Profiloberflächen sichtbar gemacht wurde, wird die Verlustentstehung identifiziert und diskutiert. Corner Stall wird als zentrales Strömungsphänomen in Tandemgittern ausführlich auf dessen Entstehung und Ausprägung hin untersucht. Strömungsmechanische Kenngrößen, die numerisch und anhand von Messungen ermittelt wurden, werden miteinander verglichen und der Einfluss der Tandemkonfigurationen auf das Strömungsfeld im Nachlauf der Gitter wird aufgezeigt. Schließlich werden Empfehlungen gegeben, wie das Teilungsverhältnis der einzelnen Schaufelreihen und der Percent Pitch (PP) in einem Tandemgitter zu wählen ist, um minimale Strömungsverluste zu realisieren.
  • Tandem cascades are used in axial flow compressors where high flow deflections must be realized. In cascades where the deflection of the flow is achieved by only one blade row the realizeable deflection is limited. At high deflections the boundary layer thickens and may separate. In tandem cascades the whole deflection is separated on two airfoils. So at the leading edge of the aft blade row exists a thin, fresh and undisturbed boundary layer for the remaining deflection. The blades of a cascade are usually designed in several coaxial sections. Every section gets an individual design of the blades dependent on the flow conditions of the section. The advantages of tandem cascades with respect to single cascades for high deflections in two-dimesnional flows are shown in the common literature. So the ideal parameters of a tandem cascade for the two dimensional flow are widely known. High deflections are mostly reqired in the last stages of multi-stage axial flow compressors where the aspect ratio of the blades is small. In cascades with small aspect ratios the impact of the wall is large and three dimensional flow phenomena must be considered. The available literature doesn't provide any information about the three-dimensional flow through tandem cascades. The flow structure near the sidewall and the losses that are generated in the three-dimensional boundary layer of tandem cascades are widely unknown. So the question arises wheter tandem cascades that generate minimum losses in a two-dimensional flow also generate minimum losses in a three-dimensional flow. In this work the numerical and experimental results of the three-dimensional flow through tandem cascades are presented. The flows of four different tandem cascades and one compareable single cascade were investigated. The cascades consist of NACA 65 blades with circular camber lines and a small aspect ratio. They were designed using empirical correlations of Lieblein and Lei. The blade rows of the tandem cascades have different spacing ratios and additionally the percent pitch (PP) of the cascades was varied. All cascades cause a flow deflection of approximately 50 degree at Reynolds numbers of 8x10^5. The flow structure is shown on basis of numerical and experimental oilflow pictures and the generation of loss is identified and explained. In particular the occurence of flow phenomena like corner stall of the three-dimensional boundary layer is discussed. Numerically and experimentally determined characteristic values of the fluid mechanics are compared and finally design rules for the spacing ratio of the forward and afterward blades as well as the percent pitch (PP) of the blades are given.

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Metadaten
Author:Thomas Frey
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-37739
Advisor:Martin Böhle
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2014/04/01
Date of first Publication:2014/04/01
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2014/03/23
Date of the Publication (Server):2014/04/01
Number of page:XIII, 125
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 600 Technik
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 10.09.2012