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TU Berlin

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Dissertationen

Aktive Beeinflussung der laminaren Ablösung mithilfe pneumatischer Wirbelgeneratoren
Zitatschlüssel daehnert_diss_2013
Autor Jerrit Dähnert
Jahr 2013
ISBN 978-3-86387-322-6
Ort Berlin
Monat Juni
Verlag Mensch und Buch Verlag
Schule Technische Universität Berlin
Zusammenfassung Ein Prozent Erhöhung des Niederdruckturbinenwirkungsgrades bewirkt einen Anstieg des Gesamtwirkungsgrades eines Turbofantriebwerkes um 0,7% - 0,9% mit entsprechen- der Auswirkung auf den schubspezifischen Verbrauch. Leistungsbegrenzend wirken sich vor allem die saugseitigen Strömungsablösungen auf die Profilverluste der ND-Turbinen- beschaufelung aus, die bei hoher aerodynamischer Belastung und kleinen Reynoldszahlen auftreten. Eine Möglichkeit diese Verluste effektiv zu senken und gleichzeitig den Betriebs- bereich der Komponente zu erweitern, besteht in der aktiven Beeinflussung der laminaren saugseitigen Ablösung. Ziel der Strömungsmanipulation ist es, Grenzschichtablösungen zu vermeiden oder bereits abgelöste Strömung zum Wiederanlegen zu zwingen. Kann die Ablösung nicht eliminiert werden, sollte der abgelöste Bereich so klein wie möglich sein. Eine aktive Methode, mit der diese Zielstellung erreicht werden kann und die gleichzeitig für die Anwendung in Turbomaschinen geeignet ist, sind pneumatische Wirbelgenerato- ren (Vortex Generator Jets - VGJs). Bei der Methode wird ein Fluidstrahl in die zu beeinflussende Strömung so eingeblasen, dass die Interaktion dieses Jets mit der Haupt- strömung eine längs gerichtete starke Wirbelstruktur forciert, die zur Unterdrückung der Strömungsablösung genutzt werden kann. Trotz umfangreicher Forschungsarbeiten und dem Wissen um das Potenzial dieser Beeinflussungsmethode bestehen Wissenslücken be- züglich der zugrunde liegenden Mechanismen, die eine Ablösereduzierung in laminaren Strömungen bewirken. Insbesondere die Rolle der Transition und der Einfluss einer Ein- blasung stromauf der Saugspitze einer Profildruckverteilung ist in diesem Zusammenhang weitgehend unerforscht. Bisherige experimentelle Arbeiten zu dieser Thematik nutzten eine anwendungsnahe, li- neare Kaskade als Versuchsträger, die nur einen eingeschränkten messtechnischen Zugang erlaubte. Um einen hohen Detaillierungsgrad der durchgeführten experimentellen Unter- suchungen zu realisieren, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Versuchsaufbau entwi- ckelt, der sich an einer großskaligen ebenen Plattengrenzschicht orientiert und unter Ein- haltung von Ähnlichkeitskennzahlen die Druckverteilung der saugseitigen Grenzschicht eines machzahlskalierten ND-Turbinenprofils abbildet. Als Primärmesstechniken wurden die Hitzdrahtanemometrie und die stereoskopische-PIV eingesetzt. Diese Arbeit nimmt die bereits existierenden Forschungsergebnisse auf und legt den Fokus auf die Klärung der zugrunde liegenden Wirkmechanismen der aktiven Methode. Die Fra- gestellungen, in welcher Weise die Wirkmechanismen, (1) Transition und (2) induzierte Längswirbelstruktur, miteinander interagieren und wie diese Wechselwirkung die Entste- hung der Profilverluste beeinflusst, wird beantwortet. Darüber hinaus werden Erkenntnisse über eine Einblasung stromauf der Saugspitze und das Verhalten der Wirbelstrukturen unter Einfluss eines Druckgradienten erarbeitet.
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