Aus Gründen der Betriebssicherheit ist zwischen den frei endenden Laufschaufeln und dem Gehäuse einer Turbomaschine eine gewisse Mindestspaltweite erforderlich. Typische Mindestspaltweiten liegen im Bereich von 0,1 bis 0,2% des Durchmessers der Beschaufelung. Durch diesen Radialspalt entstehen beträchtliche Verluste, die bei einer axialen Turbine bis zu einem Drittel der Gesamtverluste betragen können und entsprechend zu einer Absenkung des Turbinenwirkungsgrads führen. Die Verringerung der Radialspaltverluste stellt daher ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung und Auslegung von axialen Dampf- und Gasturbinen dar.

Die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite an einer Turbinenschaufel führt dazu, dass Arbeitsmittel durch den Radialspalt strömt. Die unterschiedlichen Richtungen von Spalt- und Hauptströmung im Schaufelkanal verursachen den Spaltwirbel. Die dadurch entstehenden Verluste werden als Radialspaltverluste bezeichnet und haben zwei Hauptursachen:

• Die Entropieerzeugung bei der Durchströmung des Radialspaltes
• Der Mischungsverlust des Spaltwirbels

Üblicherweise werden die Spaltverluste durch den zweiten Anteil dominiert, der proportional der kinetischen Energie der Spaltströmung ist. Methoden zur Verringerung der Radialspaltverluste zielen daher auf eine Verringerung der kinetischen Energie der Spaltströmung bzw. des Spaltmassenstromes ab. Im Rahmen dieses Projektes wird eine neuartige Methode zur Verringerung der Radialspaltverluste in Axialturbinen untersucht: passive Einblasung.

Kontakt:

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard WILLINGER
Tel.: +43-1-58801-302403
reinhard.willinger@tuwien.ac.at

Das Projekt befasst sich mit der Aero-Thermodynamik von Hochdruck (HD) Dampfturbinenbeschaufelungen. Diese sind durch relativ kleine Schaufelseitenverhältnisse charakterisiert. Aus diesem Grund werden die Gesamtverluste in der Beschaufelung durch die sog. Randverluste dominiert. Die Randverluste werden auch als Sekundärverluste bezeichnet, da sie durch die Sekundärströmungen entstehen, die durch das Zusammenwirken der Seitenwandgrenzschichten mit den Druckgradienten zwischen Druck- und Saugseite im Schaufelkanal verursacht werden. Eine Reduktion der Randverluste zielt daher hauptsächlich auf eine Verringerung der Sekundärströmungen hin.

Wird die gerade Schaufelachse durch eine in "Umfangsrichtung" gebogene Schaufelachse ersetzt, so erhält man eine sog. 3D-Beschaufelung. In der Literatur sind Verbesserungen der Komponentenwirkungsgrade bei Dampfturbinen um bis zu 2 Prozentpunkte durch den Einsatz von 3D-Beschaufelungen dokumentiert. Durch die gebogene Schaufelachse enstehen Druckgradienten in Richtung der Schaufelachse. Dadurch kommt es zu einer aerodynamischen Entlastung der Randzonen und zu einer Verringerung der Intensität der Sekundärströmungen.

Obwohl die bzgl. des Komponentenwirkungsgrades günstigen Eigenschaften der 3D-Beschaufelungen bekannt sind, finden sich in der Literatur keine eindeutigen Aussagen über die Ursachen und Mechanismen die zu dieser Verbesserung führen. Ausgehend von einem bestehenden Profil einer HD Dampfturbinenschaufel wird in diesem Projekt eine "optimierte" 3D-Beschaufelung ausgelegt. Die Auslegung erfolgt unter dem Einsatz sowohl numerischer Strömungsberechnung (CFD) als auch eines Optimierungsverfahrens.  

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Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard WILLINGER
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reinhard.willinger@tuwien.ac.at

Die Abdichtung von rotierenden und stillstehenden Teilen erfolgt bei thermischen Turbomaschinen üblicherweise durch sog. Labyrinthdichtungen. Dabei handelt es sich um berührungsfreie Dichtungen, die aus einer Abfolge von Drosselstellen und Ausgleichsräumen bestehen. Der auftretende Leckagemassenstrom wird hauptsächlich durch das angelegte Druckverhältnis, durch die Radialspaltweite und durch die Geometrie der Labyrinthdichtung beeinflusst und wird als äußerer Verlust in der thermischen Turbomaschine wirksam.

Während das Druckverhältnis durch den thermodynamischen Prozess festgelegt ist, darf aus Gründen der Betriebssicherheit eine gewisse Mindestspaltweite nicht unterschritten werden. Ein Ziel der Entwicklungen bei Labyrinthdichtungen ist daher die Reduktion des Leckagemassenstroms durch neuartige Geometrien. Andererseits ist man auch bestrebt, den Einfluss von Rotation, Wellendesaxierung, Drall der Zuströmung und Teilbeaufschlagung grundlegend zu untersuchen.

Zu diesem Zweck steht am Institut ein entsprechender Labyrinthdichtungsprüfstand zur Verfügung. Auf diesem Prüfstand wurden in den letzten Jahren umfangreiche experimentelle Untersuchungen an verschiedenen Durchblick- und Volllabyrinthen durchgeführt. Im vorliegenden Projekt soll unter Anwendung eines CFD-Programms die Strömung in Labyrinthdichtungen berechnet werden. Als Geometrien sind die Durchblick- und Volllabyrinthe des Dichtungsprüfstandes mit jeweils drei verschiedenen Radialspaltweiten vorgesehen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Betriebsfälle mit Rotation, Wellendesaxierung und Drall der Zuströmung zu legen. Die Berechnungsergebnisse sollen eine verbesserte Interpretation der gemessenen Kenngrößen ermöglichen.

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