Experimentelle Untersuchung und Weiterentwicklung eines variablen Eintrittsleitapparates für die Vordrallregelung in Turbomaschinen
David Händel
Diese überwiegend experimentelle Arbeit hat die aerodynamischen Aspekte eines Eintrittsleitapparates (nachfolgend mit ELA abgekürzt), wie er zur Vordrallregelung in Turbomaschinen eingesetzt wird, zum Inhalt. Dabei beschränkt sich die Arbeit vorrangig auf die Untersuchung der zweidimensionalen Profilgeometrie sowie der damit verbundenen Problemstellungen und resultierenden Verbesserungspotenziale.
Im Grundlagenteil dieser Arbeit wird zunächst auf die verschiedenen Regelungsarten von Turbomaschinen eingegangen. Vorgestellt werden Drosselung, Drehzahländerung, Massenstromentnahme und Laufschaufelverstellung. Das Arbeitsprinzip des ELA beruht auf der Dralländerung durch Leitschaufelverstellung. Diese Regelungsart wird daher zum Schluss behandelt und intensiver beleuchtet.
Um eine Ausgangsbasis für die Beurteilung von ELAs zu schaffen, werden im Anschluss die Untersuchungen an einer Profilgeometrie, wie sie aktuell im industriellen Einsatz von Mehrwellenkompressoren Anwendung findet, vorgestellt und diskutiert. Um Gleich- und Gegendrall erzeugen zu können, ist das Profil symmetrisch. Aus diesem Profil wurde ein Gitterträger abgeleitet und gebaut, um diesen experimentell bewerten zu können. Neben Nachlauf- und Profildruckmessungen, wurde auch die Grenzschicht mit einer Fischmaulsonde eingehen untersucht. Für einen weiten Bereich von Reynolds-Zahlen (50.000 bis 700.000) und Staffelungswinkeln von 90° (vollständig geöffnet) bis 50° werden Ergebnisse vorgestellt und erläutert. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass bei eine Staffelungswinkeländerung von mehr als 30° der ELA nicht mehr verlustarm betrieben werden kann. Die Ursache dafür liegt im symmetrischen Profil an sich.
Um diese Problem zu umgehen, wurde ein Profil entwickelt, welches sich aus zwei Schaufelteilen zusammensetzt. Diese beiden Schaufelhälften können unabhängig voneinander verstellt werden. Damit lassen sich die Vorteile eines symmetrischen Profils im Auslegungspunkt sowie eines gekrümmten Profils für fallende Staffelungswinkel ausnutzen. Mit dem zweigeteilten Profil lassen sich Staffelungswinkeländerungen von 60° ohne vollständige saugseitige Strömungsablösung realisieren, was praktisch einer Verdoppelung des verlustarmen Arbeitsbereiches im Vergleich zur Ausgangsgeometrie entspricht. Für Turbomaschinen, bei denen häufige Regeleingriffe durchgeführt werden, ist der konstruktiv gestiegene Aufwand, der mit einem zweigeteilten Profil einhergeht, somit gerechtfertigt.
