J. Rehbach

In Strömungsmaschinen treten infolge der seitlichen Begrenzung der Schaufelgitter durch Nabe und Gehäuse zusätzliche Verluste auf, die etwa ebenso groß wie die eigentlichen Profilverluste sind [1]. Diese sogenannten Endverluste (Randverlust am Schaufelfuß, Spaltverlust auf der Spaltseite) lassen sich bisher noch nicht theoretisch berechnen; sie können aber experimentell bestimmt werden. Solche Messungen werden häufig an geraden Gittern vorgenommen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse lassen sich auf Axialgitter übertragen [2] und bei der Auslegung von Maschinen verwenden, aber der Vergleich zwischen Strömungsmaschine und geradem Gitter wirft doch eine Reihe bisher noch ungeklärter Fragen auf. So bewegen sich in der Strömungsmaschine Schaufelenden und gegenüberliegende Spaltwand relativ zueinander. Durch diese Relativbewegung wird im Turbinengitter die Spaltströmung abgebremst, während sie im Pumpengitter gefördert wird. Bei der Versuchsanordnung des geraden Gitters wird die Relativbewegung meist vernachlässigt. Die vorliegende Untersuchung soll einen Beitrag zur Beantwortung der Frage leisten, wie die Spaltverluste durch die Relativbewegung beeinflußt werden. Dabei beschränken wir uns auf Turbinengitter. Der Einfluß der Wandbewegung läßt sich am besten an einem Kreisgitter untersuchen. Aus diesem Grunde wurde eine Versuchsanlage nach Bild 1 gebaut, bei welcher das Kreisgitter ruht und die Nabe sich dreht. Auf diese Weise wird erreicht, daß lediglich der Einfluß der Relativbewegung von Wand und Schaufel auf die Spaltverluste untersucht werden kann, während der Einfluß der Zentrifugal- und Corioliskräfte, wie sie bei einer rotierenden Schaufel auftreten, ausgeschaltet bleibt. Diese Anordnung wurde in den 1,3-m-Windkanal der Technischen Hochschule Braunschweig eingebaut. Dabei kann wahlweise der ganze Nabenkopf oder nur ein kurzes Nabenstück im Bereich des Schaufelgitters (vgl. Bild 2) in Drehung versetzt werden. Das Nabenverhältnis beträgt DN / DA = 0,65. Die Versuche an Turbinenleiträdern umfassen Nachlauf, Druckverteilungs- und Drehmomentmessungen sowie Strömungsbeobachtungen an Schaufel und Nabe. Die Untersuchungen wurden ergänzt durch Vergleichsmessungen an geraden Gittern. An dieser Stelle soll nur kurz auf die Nachlaufmessungen eingegangen werden, aus denen V erlustbei werte und Abströmwinkel ermittelt wurden. Die dreidimensionale Strömung vor und hinter dem ·Gitter wurde mit einer Halbkugelsonde (fünf Bohrungen) ausgemessen, deren Anordnung in der Meßebene aus Bild 2 zu ersehen ist. Die untersuchten Turbinengitter aus Profilen NACA 8410 sind in Bild 3 dargestellt. Das Hauptprogramm umfaßt Messungen mit festem Nabenkopf an Gittern mit dem Staffelungswinkel ßs = 45° und dem Teilungsverhältnis t/l = 1 (vier Spaltweiten s) sowie mit ßs = 70°, Spaltweite s/l = 0,03 (zwei Teilungen). Außerdem wurde beim Gitter mit ßs = 45° bei der Spaltweite s/l = 0,03 eine Vergleichsmessung mit rotierendem Nabenkopf vorgenommen. Bei allen Anordnungen wurde als Versuchsparameter die Umfangsgeschwindigkeit der Nabe UN variiert, die mit der Abströmgeschwindigkeit aus dem Gitter w2 dimensionslos gemacht ist. Der Verlustbeiwert C v2 ist definiert als Unterschied des mittleren Gesamtdruckes vor und hinter dem Gitter Llg (ermittelt aus der Energiebilanz), bezogen auf den Staudruck der Abströmgeschwindigkeit bei reibungsloser Strömung: [Formel ausgelassen] Die Verlustbeiwerte sind in Bild 3 aufgetragen, und zwar in Bild 3a für ßs = 45 ° über der relativen Spaltweite und in Bild 3b für alle Anordnungen über der relativen Wandgeschwindigkeit. Der Anstieg der Spaltverluste mit der Spaltweite in Bild 3a unterscheidet sich im praktisch wichtigen Bereich bis uN/w2 = 1 nur wenig von demjenigen für die ruhende Wand. Erst bei uN/w2 = 1 zeigt sich eine merkliche Abweichung. Aus den Kurven für ßs = 45° in Bild 3b ist zu ersehen, daß trotz Abbremsung der Spaltströmung durch die Wandbewegung der Spaltverlust mit UN zunächst steigt (Reibung nimmt zu), und zwar bei großen Spaltweiten mehr als bei kleinen. Erst bei großen UN überwiegt der Einfluß der Verminderung der Spaltströmung. Der rotierende Nabenkopf erzeugt eine Grenzschicht mit Umfangskomponenten, die bei der höchsten Nabendrehzahl bis zu 1/3 der Schaufelhöhe reicht. Trotzdem ist der Unterschied gegenüber der Messung, bei der nur die Spaltwand rotiert, gering. In den Gittern mit schwacher Umlenkung (ßs = 70°) ist die relative Änderung des Verlustes durch die Wandbewegung ebenso groß wie beim Gitter mit ßs = 45°. Negative Werte von uN/w2 entsprechen dem Fall des Beschleunigungsgitters im Verdichter (Reaktionsgrad über 1). Diese Umkehrung der Bewegungsrichtung ergibt in allen Fällen eine geringe Verminderung der Verluste. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß bei den untersuchten Turbinenleiträdern im Bereich technisch wichtiger Spaltweiten und Umfangsgeschwindigkeiten der Einfluß der Nabendrehung auf die Spaltverluste gering ist. Man kann also die an der ruhenden Versuchsanordnung gemessenen Spaltverluste auf das Gitter mit Relativbewegung zwischen Schaufel und Wand übertragen. Da im Laufrad die Spaltströmung durch die vom Profil abgeschleuderte Grenzschicht zusätzlich behindert wird, ist anzunehmen, daß dort der Einfluß der Relativbewegung zwischen Schaufel und Wand zumindest nicht größer ist.

WGL-Tagung, Stuttart, 1958

Conference Abstract

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 3 Seiten

Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Luftfahrt 1958; S.97-99; 1958; Braunschweig : Vieweg

NA

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1959