Experimentelle Untersuchungen zur Grenzschichtbeeinflussung hochbelasteter Niederdruckturbinen

Abstract

Bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die Erhöhung der Gesamtwirtschaftlichkeit des Systems Flugzeug durch eine Verringerung des Gewichtes des Flugtriebwerks von besonderem Interesse. Um dies zu erreichen, bietet die Niederdruckturbine als größtes integrales Bauteil das höchste Potential. Ziel ist es daher, durch die Erhöhung der aerodynamischen Belastung der Niederdruckturbinenbeschaufelung, die Schaufelzahl zu reduzieren oder sogar die Möglichkeit zu eröffnen, die Stufenzahl der Niederdruckturbine zu verringern. Besonders bei Niederdruckturbinen steigt mit zunehmender Schaufelbelastung die Gefahr einer Grenzschichtablösung auf der Schaufelsaugseite. Somit lässt sich eine weitere Erhöhung der Belastung ohne grenzschichtbeeinflussende Maßnahmen nicht realisieren. Daher wird die Anwendungsmöglichkeit einer Grenzschichtbeeinflussung durch Ausblasen von Luft in die saugseitige Grenzschicht an hochbelasteten Niederdruckturbinenprofilen untersucht, um eine vorhandene Grenzschichtablösung zu unterdrücken. Durch Grenzschichtablösung entstehende Verluste sollen reduziert werden. Im Rahmen der Untersuchung zur Grenzschichtbeeinflussung an hochbelasteten Niederdruckturbinenbeschaufelungen wurden drei unterschiedliche Ausblasekonfigurationen im Nieder-Machzahl-Turbinenprüfstand des Instituts für Luftfahrtantriebe (ILA) der Universität Stuttgart untersucht. Dazu wurde ein Ultra High-Lift Niederdruckturbinenleitrad mit stark verringerter Schaufelzahl aerodynamisch neu ausgelegt. Zur Untersuchung der unterschiedlichen Ausblasekonfigurationen wurde an der Niederdruckturbinenbeschaufelung die Möglichkeit zur Ausblasung von Sekundärluft geschaffen. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausblasekonfigurationen konzentrieren sich dabei einerseits auf die Position der Ausblasebohrungen relativ zu einer sich einstellenden Strömungsablösung und andererseits auf die Bereitstellung der zur Grenzschichtstörung benötigten Ausblaseluft. Zusätzlich zu ausgedehnten Strömungsfeldvermessungen über pneumatische Mehrlochsonden und die Aufnahme statischer Profildrücke bei unterschiedlichen Ausblaseraten, erfolgte die Bestimmung der jeweiligen Wirkungsgradänderung der Gesamtturbine. Somit werden Aussagen über das Potential der Grenzschichtbeeinflussung durch Ausblasung zur Wirkungsgradverbesserung ermöglicht. Die Untersuchungen liefern umfassende Ergebnisse zum Verhalten der saugseitigen Grenzschicht bei einer Veränderung der Ausblaserate. Zusätzlich kann das sich ausbildende dreidimensionale Strömungsfeld dargestellt und Aussagen über die durch die Ausblasung entstehenden Wirbelstrukturen getroffen werden. Die untersuchte Grenzschichtbeeinflussung bietet das Potential, die aufgrund der stark verringerten Schaufelzahl abgelöste Grenzschicht zu beeinflussen und zu unterdrücken. Durch die Strömungsablösung zusätzlich generierte Strömungsverluste können verringert werden.

With the development of modern aero engines the increase of the overall economy of the system airplane by a decrease of the aero engine's weight is of special interest. As the largest integral construction unit, the low-pressure turbine offers the highest potential in order to reach this weight reduction. Hence a goal is to reduce blade count by increasing the aerodynamic load of the low-pressure turbine blades or to open even the possibility to reduce the stage count of the low-pressure turbine. Especially for low-pressure turbines the danger of a boundary layer separation rises on the blade suction surface with increasing aerodynamically load. Thus a further increase of the aerodynamic load without boundary layer-affecting measures cannot be realized. Consequently, the possibility of a boundary layer treatment, described in this thesis, by blowing out air into the suction side boundary layer has been examined. In order to suppress an existing separation of the boundary layer, a boundary layer injection on the suction surface of a highly loaded low-pressure turbine profiles has been implemented. Losses developing due to separated boundary layer are to be reduced. In the context of the investigation for boundary layer effects at highly loaded low-pressure turbine blades, three different blowing configurations in the Low-Mach- number turbine test facility of the Institute for Aircraft propulsion systems (ILA) of the University of Stuttgart were examined. For this purpose an Ultra-high lift low-pressure turbine blade with strongly reduced blade count was aerodynamically designed. To investigate different blowing configurations at the low-pressure turbine blades, the possibility for secondary air injection into the suction side flow field was created. The differences between the individual blowing configurations concentrate thereby at one hand on the position of the blowing holes relative to an adjusting boundary layer separation and on the other hand on the blowing air supply needed for the boundary layer treatment. Additionally to expanded flow field measurements using pneumatic multi-hole probes and the measurement of static profile pressure taps for different blowing rates, the determination of the respective change in efficiency of the total turbine took place. Thus statements are made possible about the potential of boundary layer injection to improve turbine efficiency. The investigations supply comprehensive results for the behaviour of the suction side boundary layer when changing blowing rates. Additionally the developing three dimensional flow field is presented and statements about the eddy structures resulting from boundary layer injection can be given. The investigated boundary layer injection offers the potential to affect the separated boundary layer resulting from the strongly reduced blade count so far that losses generated from boundary layer separation can be reduced.