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Aerodynamic performance of endwall contoured turbine blades considering leakage flow interaction = Aerodynamische Effizienz von seitenwandkonturierten Turbinenschaufeln unter Berücksichtigung von Leckageströmungsinteraktion
2017
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-24
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07179
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697625/files/697625.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697625/files/697625.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Leakage flow interaction (frei) ; Leckageströmungsinteraktion (frei) ; Seitenwandkonturierung (frei) ; Tangential endwall contouring (frei) ; aerodynamic performance of turbine blades (frei) ; aerodynamische Performance von Turbinenschaufeln (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Nicht-achssymmetrische Seitenwandkonturierung soll eingesetzt werden, um den Schaufelwirkungsgradin Turbomaschinen zu erhöhen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Leckageströmung auf dieWirkungsweise der Seitenwandkonturierung in Verbindung mit einer "Compound Lean" Turbinenbeschaufelung untersucht.Alle experimentellen Versuche wurden mit dem 2-stufigen Axialturbinen-Prüfstand des Instituts für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen (IKDG) der RWTH Aachen University durchgeführt. Die Versuchsturbine wird mit Luft betrieben. Zwei Dichtungskonfigurationen werden eingesetzt, um zwei unterschiedliche Leckage-Raten zu generieren. Außerdem werden vier Betriebspunkte untersucht, die den Auslegungspunkt sowie Überlast- und Teillast-Zustände repräsentieren.Die Seitenwandkonturierung ist sowohl an der Nabe, als auch gehäuseseitig appliziert und es werden drei Beschaufelungs-Konfigurationen verglichen. Ein Basis-Design ohne Seitenwandkonturierung, konturierte Statorschaufeln und nicht konturierte Rotorschaufeln, sowie eine Variante in der sowohl Stator- als auch Rotorschaufeln konturiert sind. In einem ersten Schritt werden alle Konfigurationen mit einer vernachlässigbaren gehäuseseitigen Leckage-Rate untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass die Konfiguration mit konturierten Statorschaufeln den höchstenWirkungsgrad in Stufe 1 hat, wohingegen die voll-konturierte Variante im Vergleich zum Basis-Design einen schlechteren Wirkungsgrad im Auslegungspunkt und in Teillast aufweist. Dieser Trend kehrt sich in Stufe 2 um, in der die voll-konturierte Konfiguration die höchste Effizienz hat und deutliche Verluste bei der Statorkonturierten Variante zu verzeichnen sind. Hieraus lässt sich ableiten, dass diese Form der Seitenwandkonturierung das Potenzial bietet den Wirkungsgrad von mehrstufigen Turbinen zu erhöhen.Aufbauend auf den zuvor beschriebenen Untersuchungen wird der weitere Fokus dieser Arbeit auf die Interaktion von Seitenwandkonturierung und Leckageströmung gelegt. Diese Untersuchungen zeigen, dass weder die am Stator konturierte, noch die voll-konturierte Konfiguration zu einem Wirkungsgradanstieg in allen untersuchten Betriebspunkten führt. Das Verhalten in Stufe 1 ist vergleichbar zu den Ergebnissen mit geringen Leckage-Raten. Dahingegen sind die Wirkungsgrade der beiden konturierten Varianten in Stufe 2 schlechter als der Wirkungsgrad der Basis-Konfiguration. Dies führt zu der Annahme, dass die Änderung des Wirkungsgrades primär durch den einströmenden Leckage-Massenstrom stromauf der Seitenwandkonturierung verursacht wird und nicht durch dieStrömung, welche vor den Rotorschaufeln in die Kavitäten fließt.Tangential endwall contouring is intended to improve the blading efficiency in turbomachinery. The present thesis focusses on the influence of leakage flows on the performance of non-axisymmetric endwall contouring in combination with a compound lean turbine blading.All tests were conducted on a 2 stage axial turbine test rig at the Institute of Power Plant Technology, Steam and Gas Turbines (IKDG) of RWTH Aachen University. The test rig is driven with air. Two sealing set-ups are applied to create two different leakage mass flows. Four operating points are investigated that represent the design point as well as overload and partload conditions.The endwall contouring is applied on both hub and tip sides. Three configurations are compared. A baseline design without endwall contouring, contoured stator vanes and non-contoured rotor blades as well as contoured vanes and blades.At first, all configurations are investigated with a negligible leakage flow rate at the casing side. The results show that the vane contoured configuration performs best in stage 1 while the fully contoured set-up loses in efficiency for the design point and in partload compared to the baseline configuration. This trend is flipped in stage 2 as the fully contoured version performs best and the vane contoured configuration loses significantly. This finding suggests that endwall contouring has the potential to increase the efficiency of multi stage turbines.The second focus is put on the interaction of endwall contouring and leakage flow. These investigations show that neither the vane contoured nor the fully contoured set-up show an increased efficiency at any operating point. The trends within the first stage are similar to the measurements with the low amount of leakage flow. In the second stage both contouring designs perform worse than the baseline, leading to the assumption that the change in efficiency is mainly caused by the re-entering leakage mass flow upstream the contouring and not by the flow that enters the cavities in front of the rotor contouring.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019417781
Interne Identnummern
RWTH-2017-07179
Datensatz-ID: 697625
Beteiligte Länder
Germany
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