Sondentraversiersystem mit instationären Totaltemperatursonden
Final Report Abstract
Die wichtigsten Forschungsergebnisse, für die das Forschungsgroßgerät in den ersten drei Jahren seit Inbetriebnahme genutzt wurde, wurden durch Versuche am Höhenprüfstand der Universität Stuttgart gewonnen. Der Prüfstand ist in der Lage die Betriebsbedingungen in großer Höhe für Strahltriebwerke oder deren Komponenten am Boden nachzustellen. Für die Untersuchungen wurde ein zweistufiges Niederdruckturbinenrig in den Höhenprüfstand eingebaut und unter Höhenbedingungen getestet. Ziel der Untersuchungen war es, die zeitaufgelöste Entropieproduktion in einer zweistufigen Niederdruckturbine ermittelt. Für die Beurteilung der Entropieproduktion wurde eine zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Messung des Totaltemperatur- und Totaldruckfeldes durchgeführt. Während das Totaldruckfeld mit standardmäßig käuflichen Sonden ermittelt wurde, wurde das Totaltemperaturfeld mit den am Institut entwickelten instationären Totaltemperatursonden bestimmt. Dabei wurden die Sonden um die Sondenlängsachse und in radialer Richtung automatisiert verfahren. Der Einsatz der Totaltemperatursonden in der realitätsnahen Turbomaschine wurde sehr erfolgreich durchgeführt. Das zeitlich aufgelöste Totaltemperaturfeld der Turbine wurde, mit und ohne Hot Spots im Einlauf, sehr detailliert bestimmt. Zudem wurde das Potential der Totaltemperatursonde zur Untersuchung der instationären Verlustmechanismen in der Niederdruckturbine aufgezeigt. Des Weiteren wurde das Forschungsgroßgerät in umfangreichen Versuchen zum Betriebsverhalten der Luftkühler des Höhenprüfstands der Universität Stuttgart eingesetzt. Die Luftkühler sind erforderlich um die in großen Flughöhen vorliegenden, sehr niedrige Umgebungstemperaturen am Boden simulieren zu können. Diese Kühlung wird durch zwei sequentielle Kühlanlagen erreicht. Schwerpunkt der Untersuchungen war die Klassifizierung des Kondensationsverhaltens der Arbeitsluft. Kondensationseffekte innerhalb des Höhenprüfstands sind unerwünscht, da sich hierdurch die Testbedingungen verändern oder Messtechnik beeinträchtigt werden kann. Zur messtechnischen Untersuchung wurden zwei entsprechende Zugangsstellen nach den Luftkühlern des Höhenprüfstands implementiert, an denen die Sondentraversiergeräte eingesetzt wurden. An jeder Messstelle wurden zwei Geräte angebracht. Bestückt wurden die Sondentraversiergeräte mit einer kombinierten Totaldruck- und Temperatursonde und einer eigens entwickelten, beheizten Strömungssonde zur isokinetischen Probeentnahme. Untersucht wurden die Verläufe der Strömungstemperatur und -geschwindigkeit im Grenzschichtbereich der Rohrleitungen des Höhenprüfstands. Weiterhin wurde mit der Entnahmesonde der Taupunktverlauf gemessen. Um die Kondensierbarkeit der Luft noch genauer bestimmen zu können, wurde in einer weiteren Versuchskampagne zusätzlich noch das Partikelgrößenspektrum und die Konzentration der Kondensationskeime ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Grenzschichtströmung die Strömungstemperatur bis zu einem Abstand von 100 mm beeinflusst. In diesem Bereich ist die Kondensierbarkeit der Luft aufgrund der höheren Temperaturen bei gleichbleibendem Taupunkt verringert. Ein Einfluss auf die Eigenschaften der Kondensationskeime wurde nicht nachgewiesen.
Publications
- Application of a fast-response total temperature probe for turbomachinery; Dissertation
M. C. Arenz
- Development and Application of a Fast- Response Total Temperature Probe for Turbomachinery; ASME Journal of Turbomachinery
M. C. Arenz, B. Weigel, J. Habermann, S. Staudacher, M. G. Rose, W. Berns, E. Lutum
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4035278)
