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Title
Reduktion der Spaltverluste in einem axialen Turbinengitter durch passive Einblasung / Markus Hamik
AuthorHamik, Markus
CensorWillinger, Reinhard ; Kluwick, Alfred
Published2007
Description151 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2007
LanguageGerman
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Axialturbine / Spaltströmung / Einblasung / Wirkungsgrad
Keywords (EN)Axial Turbine / Tip-Leakage Flow / Blade Tip Injection / Efficiency
Keywords (GND)Axialturbine / Turbinengitter / Spaltströmung / Blasverfahren / Wirkungsgrad / Verbesserung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-15528 Persistent Identifier (URN)
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Reduktion der Spaltverluste in einem axialen Turbinengitter durch passive Einblasung [2.57 mb]
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Abstract (German)

Als neuartige passive Methode zur Verringerung von Spaltverlusten insbesondere an Hochdruckstufen von Dampfturbinen wird die Wirksamkeit der Einblasung in den Schaufelspalt untersucht. Das Einblasemedium wird dabei durch eine Bohrung an der Schaufelvorderkante entnommen und durch die Schaufelspitze in den Schaufelspalt geblasen.

Die Strömung wird durch die zwischen diesen Punkten anliegende Druckdifferenz getrieben. Diese Methode eignet sich daher in erster Linie für Anwendungsgebiete, wo hohe Druckdifferenzen über die Schaufel ebenso vorherrschend sind wie niedrige Temperaturen, sodass keine Notwendigkeit zur Schaufelkühlung besteht und die Verlustverringerung im Vordergrund steht. Zur Entwicklung einer optimalen Einblasegeometrie werden numerische Berechnungen unter Zuhilfenahme analytischer Modelle herangezogen. Dabei werden verschiedene Parametervariationen betrachtet.

Dazu zählen verschiedene Einblasewinkel ebenso wie die Untersuchung unterschiedlicher Einblasepositionen. Eine geeignete Variante mit Einblasung normal auf die Schaufelspitze wird an einer realen Schaufel implementiert und diese dann experimentell vermessen. Dabei zeigt sich, dass die Spaltverluste durch die hier gewählte Methode der Einblasung in realistischen Spaltweitenbereichen beträchtlich verringert werden können. Daraus resultiert auch eine entsprechende Steigerung der Stufenwirkungsgrade. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Einblasungen ist darin zu sehen, dass das Einblasemedium nicht über die Welle und ein Plenum im Schaufelinneren ausgeblasen, sondern erst an der Schaufelvorderkante entnommen wird und somit in den Schaufelreihen vor der Einblasung als Arbeitsmedium im Schaufelkanal zur Verfügung steht.

Die Aussagekraft der experimentellen Daten wird durch eine statistische Betrachtung ergänzt. Außerdem werden einfache analytische Modellbildungen zur Abschätzung des Verbesserungspotentials in frühen Designphasen entwickelt.

Abstract (English)

The present work introduces a new concept for passive tip-leakage control which can be preferably used at high pressure steam turbine stages. The basic idea of the method is the connection of the blade leading edge and the blade tip by an internal channel. Due to the difference between the stagnation pressure at the leading edge and the low pressure at the blade tip, a small amount of working fluid is extracted from the blade passage. At the blade tip, a jet is injected roughly perpendicular to the tip gap flow driven by the blade pressure difference. It is proposed that the jet blocks at least a part of the tip gap flow. This method can be used for applications where low temperatures and high pressure differences occur so that no blade cooling is necessary and loss reduction can be treated as an important criterion. For the development of optimal injection geometries a computational fluid dynamics analysis is applied. Here changes of several parameters like the injection angle or the injection position are investigated. Then a suitable variant is carried out using an existing blade and experimental measurements are taken. The injection results in a substantial reduction of tip gap losses within usual tip gap widths. As a consequence the stage efficiencies can be achieved too.

Another advantage in reference to usual injection concepts is the fact, that the injection fluid can be used as working fluid in the blade passages of the stages upstream of the stage where it is used for injection purposes because it is extracted from the main flow at the leading edge of the blade. The results of the experimental measurements are supplemented by a statistical investigation. Finally a simple analytical model for a rough estimation of the improvement potential in early design stages is introduced.