Beeinflussung der Spaltströmung durch Optimierung der Geometrie im Schaufelspitzenbereich

Kurzfassung

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 der im Institut für Antriebstechnik entwickelte automatisierte Optimierer eingesetzt, der durch das COOREF-T Vorhabens 1.1.1 (FKZ: 0327713B) mitfinanziert wurde [5]. 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. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine verbesserte Profilierung im Blattspitzenbereich eine Stufenwirkungsgradverbesserung von ca. 0.2 % erreicht werden kann bei gleichzeitiger Verringerung der Blockage im Strömungskanal. Auch im Teillastbereich kann der Wirkungsgrad leicht gesteigert werden ohne den Pumpgrenzabstand zu verringern. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Wirkungsgradverbesserung an der Blattspitze in einem weiten Bereich unabhängig von der Spalthöhe ist. Die verbesserte Blattspitzenprofilierung bietet die Möglichkeit des nachträglichen Aufwertens von bereits installierten Maschinen. Auf der anderen Seite hat sich herausgestellt, dass sich bei unveränderter Profilierung der Blattspitze durch eine einfache rotationssymmetrische Konturierung der Gehäusewand eine Stufenwirkungsgradverbesserung von etwa 0.4% erreichen lässt. Durch Sensitivitätsstudien wurden im Laufe dieses Vorhabens die Einsatzmöglichkeiten von rotationssymmetrischen Gehäusewandkonturierungen bewertet. Auch im Off-Design können durch eine einfache Gehäusekonturierung leichte Wirkungsgradgewinne realisiert werden, ohne dass eine Änderung des Pumpgrenzabstands offenbar wird. Das Zusammenspiel einer verbesserten Profilierung im Blattspitzenbereich und einer Gehäusekontur wurde sowohl als Kombination der beiden vorgestellten Einzelansätze betrachtet als auch in einer ganzheitlichen Optimierung der wichtigsten Freiheitsgrade des Blattspitze-Gehäuse-Systems untersucht. Durch die Kombination der Einzelansätze lassen sich Stufenwirkungsgradgewinne bis zu ca. 0.45 % erreichen. Das zielgerichtete gemeinsame Optimieren von Blattspitzenprofilierung und Gehäuse hingegen birgt ein Potential von ca. 0.8% Stufenwirkungsgradverbesserung für die betrachtete Siemens Verdichterstufe. Zum Abschluss des Projektes wurden die gefundenen Verbesserungen auf mehrere Stufen einer Siemens Testverdichterkonfiguration übertragen. Dies geschah vor allem mit dem Ziel, das Verbesserungspotential der optimierten Blattspitzengeometrie für einen kompletten Gasturbinenverdichter abzuschätzen und Designregeln zu finden. Die numerischen Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Stufenwirkungsgrad für alle Stufen, auf die die Optimierungsergebnisse angewendet wurden. Die Steigerungen im Stufenwirkungsgrad lagen je nach relativer Radialspalthöhe zwischen 0.2% und 1.2%. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten sowohl im Grundlagenbereich als auch bei der industriellen Anwendung einen wichtigen Beitrag für die Reduktion der Radialspaltverluste in axialen Turbomaschinen, was eine der Schlüsselaufgaben zukünftiger Turbomaschinenentwicklung ist. Insbesondere wurde in der vorliegenden Arbeit auf die Realisierbarkeit und die Produktnähe der Forschungsergebnisse bezüglich Fertigung und Kosten geachtet Mit derart optimierten Komponenten der Gasturbine werden die Voraussetzungen geschaffen, Kraftwerke mit maximalem thermischen Wirkungsgrad und minimalem Schadstoffausstoß zu konzipieren.