Institut für Kraftwerkstechnik Dampf- und Gasturbinen
Neuartige Seitenwandprofile zur Wirkungsgradverbesserung
   
Betreuer Dipl.-Wirt.Ing. Oliver Curkovic, M.Sc., Tobias Zimmermann M.Sc.
Motivation In Turbomaschinen gibt es eine Vielzahl von Mechanismen, durch die aerodynamische Verluste entstehen. Durch die Erhöhung der Stufenbelastung verstärkt sich die Ausbildung komplexer dreidimensionaler Strömungsphänomene, sogenannter Sekundärströmungen. Diese Sekundärströmungen erhöhen die Verluste der einzelnen Schaufelreihen und ziehen gleichzeitig auch noch eine Inhomogenisierung der Abströmung und dadurch eine Fehlanströmung der nächsten Schaufelreihe nach sich. Sekundärströmungen stellen in modernen Turbomaschinen etwa mehr als ein Drittel der aerodynamischen Verluste dar. Die aerodynamische Auslegung dieser Schaufeln beinhaltet daher noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial, um die höheren spezifischen Verluste infolge des größeren Anteils wandnaher Strömung bei kleineren Schaufelhöhen zu kompensieren. Des Weiteren nimmt der Einfluss der Spaltströmungen auf die Hauptströmung mit kleiner werdenden Schaufelhöhen weiter zu. Zur Begrenzung der Spaltmassenströme greift man bei der Auslegung der Frontstufen in den Hoch- und Mitteldruckturbinen auf Beschaufelungen mit Deckbändern zurück. Diese Deckbänder können in Kombination mit sowohl Labyrinthdichtspitzen als auch Bürstendichtungen eingesetzt werden. Damit werden die Radialspalte deutlich verkleinert und die Leckagemassenströme reduziert. Die Bürstendichtungstechnologie hat bei der Reduzierung der Spaltverluste ein großes Potential und wird in den letzten Jahren verstärkt erforscht. Eine vielversprechende Maßnahme zur Optimierung dieser Turbinen liegt in der Veränderung der geometrischen Berandung des Strömungskanals, bestehend aus der Seitenwand und dem Schaufelblatt. Eine dreidimensionale Anpassung der geometrischen Form der Turbinengitter und Seitenwände an die aerodynamischen Erfordernissen beinhaltet ein beträchtliches Potenzial zur Verminderung der Sekundärströmungs- und Mischungsverluste durch Haupt- und Leckageströmungsinteraktion.
 
Methode Im Rahmen dieses Projektes werden Strömungsuntersuchungen in den Deckbandkavitäten und an deren Ein- und Austritt sowie im Interaktionsbereich der Leckage- und Hauptströmung durchgeführt. Ziel dieser Untersuchungen ist die Charakterisierung der Sekundärströmungs- und Mischungsverlusten und der Einfluss einer 3-Dimensionalen Beschaufelung auf die Hauptströmung. Gleichzeitig werden damit Daten zur Validierung der parallel laufenden numerischen Simulationen bereitgestellt. Des Weiteren werden in diesem Projekt der Einfluss von Bürstendichtungen auf den Leckagemassenstrom und  unterschiedliche Axialabstände untersucht.
Förderung Das Projekt wird im Rahmen des AG Turbo Verbundprojekts „AG-Turbo 2020“ durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert
Projektpartner         
Laufzeit  3.5 Jahre
Publikation Tobias W. Zimmermann, Oliver Curkovic, Manfred Wirsum
Influence of tip seal configurations on flow and efficiency for shrouded turbine blades, Proceedings of International Gas Turbine Congress 2015 Tokyo, p. 746-754, Nov. 15-20, 2015

Oliver Curkovic, Tobias W. Zimmermann, Manfred Wirsum
Brush Seal Modeling for a 2-stage Axial Turbine: A Parametric Study with CFD, Proceedings of International Gas Turbine Congress 2015 Tokyo, p.755-761, Nov. 15-20, 2015