Beeinflussung der Spaltströmung durch Optimierung der Geometrie im Schaufelspitzenbereich

Abstract

Die aerodynamischen Verluste moderner, hochbelasteter Axialverdichter werden zu einem großen Teil durch die Strömung in den Randbereichen des Ringraums bestimmt. Insbesondere die Leckageströmung aufgrund von Radialspalten in der Beschaufelung beeinflusst erheblich die Effizienz und den Arbeitsbereich des Verdichters und damit der gesamten Gasturbine. Der Anteil dieser Spaltverluste kann durchaus mehr als 50% betragen, so dass mittels einer Reduktion dieser erheblichen Verluste eine signifikante Verbesserung des Gesamtverdichterwirkungsgrades und auch des Betriebsverhaltens bei Teillast erreicht werden kann. Ziel des Projektes ist es, durch eine Modifikation der Geometrie im Bereich der Schaufelspitze die ungünstigen Auswirkungen der unvermeidbaren Radialspaltströmung zu reduzieren. Dazu wird sowohl die Kontur des Gehäuses im Bereich der Rotorblattspitze als auch die Form des Schaufelblattes selbst optimiert. Es wird überwiegend der im Rahmen des (FKZ: 0327713B) entwickelte, automatische Optimierer eingesetzt. Die in diesem Projekt durchgeführten Optimierungen basieren auf dreidimensionalen Mehrstufen-CFD-Berechnungen, da nur so eine realistische Erfassung der komplexen Strömungsvorgänge im Schaufelspitzenbereich gewährleistet ist. Es wurden verschiedene Optimierungen mit unterschiedlichen Freiheitsgraden hinsichtlich der Geometrie des Strömungskanals und des Schaufelblattes durchgeführt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen ein Potential von 0.5% Punkten des Stufenwirkungsgrades bei gleichzeitig verbessertem Off-Design-Verhalten. Mit derart optimierten Komponenten der Gasturbine werden die Voraussetzungen geschaffen, Kraftwerke mit maximalem thermischen Wirkungsgrad und minimalem Schadstoffausstoß zu konzipieren.