| 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. |
