Untersuchung des Filmverhaltens und der Desintegration an Schaufelhinterkanten unter turbomaschinenähnlichen Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Schatz; Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491583807

In Gasturbinen werden Wassertropfen gezielt in den Ansaugtrakt eingebracht, verdunsten und kühlen so die angesaugte Luft. Diese Kühlung ist wichtig, da die Umgebungsbedingungen einen großen Einfluss auf Leistung und thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine haben. Da die eingebrachten Tropfen jedoch nicht vollständig bis zum Erreichen der ersten Schaufelreihe verdunsten, bilden sich auf Grund von trägheitsbedingter Ablagerung Wasserfilme auf den umströmten Oberflächen, die durch Wechselwirkung mit der Strömung desintegrieren. Auch in Dampfturbinen spielen Wasserfilme und deren Desintegration in die überströmende Dampfphase eine entscheidende Rolle. Durch die Expansion in den Niederdruckstufen kondensieren kleinste Tropfen, die im weiteren Verlauf der Durchströmung anwachsen. Diese Tropfen lagern sich durch turbulente Fluktuationen oder Trägheitseffekte auf den Schaufeloberflächen ab. Die auftretenden Phänomene der Filmbildung auf den Schaufeln, die Ansammlung und die Desintegration der Filme an den Hinterkanten, sowie der Wiedereintrag der Tropfen in die Hauptströmung sind bei Gas- und Dampfturbinen grundsätzlich ähnlich. Die Ziele des Antrags sind die messtechnische Erfassung und die detaillierte, numerischen Berechnung von welligen Flüssigkeitsfilmen und der Hinterkantendesintegration an Schaufeln von Strömungsmaschinen, wobei für letzteres die Verbesserung der vorhandenen Modelle im Vordergrund steht. Die dünnen, schergetriebenen Flüssigkeitsfilme und die Hinterkantendesintegration werden hierbei mittels direkter numerischer Simulationen untersucht. Dies ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Prozesse. Dieser Antrag zielt darauf ab, die vorhandenen Modellierungen zu erweitern, bzw. den Anwendungsbereich zu vergrößern. So werden die Hinterkantendesintegration und das daraus entstehende Tropfenspektrum intensiv untersucht, da die bisherige Modellierung hier nur einfache Aussagen über den Primärdurchmesser zulässt. Dieser bestimmt die Eintrittsbedingungen für alle stromabwärts gelegenen Schaufelreihen. Daher ist eine exakte Modellierung hier unerlässlich. Für die zeit- und ortsaufgelöste Erfassung des Filmverhaltens soll eine neue Messstrecke inklusive nötiger Infrastruktur verwendet werden. Um die Güte des verwendeten Verfahrens bewerten zu können, das auf dem Prinzip der Absorption von Licht basiert, werden zunächst Referenzdaten mit etablierten punktbasierten Methoden an überströmten Platten erhoben und später den Ergebnissen des Absorptionsverfahrens gegenübergestellt. Die Bestimmung der Messunsicherheit wird dabei durch Mehrkomponenten-Simulationen unterstützt. Mit der dann verfügbaren Messtechnik sollen anschließend umfangreiche Betrachtungen der Regime und Welleneigenschaften von Filmen auf überströmten Platten in einem für Strömungsmaschinen relevanten Geschwindigkeitsbereich erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen