Influence of periodic wakes on the unsteady flow near endwalls in full annular axial turbine cascades
Final Report Abstract
Die für des Teilvorhabens 4 des DFG Verbundpaketes PAK948 angesetzten Forschungsarbeiten zum zeitlich aufgelösten Einfluss periodisch instationärer Zuströmung auf die Sekundärströmung und die Grenzschichtströmung in axialen Niederdruckturbinengittern wurden innerhalb der Laufzeit erfolgreich durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wurde der umfangreiche Umbau des Axialturbinenprüfstands zur Ermöglichung von Grenzschicht-Untersuchungen umgesetzt, geeignete Messtechnik ausgelegt und implementiert, stationäre und instationäre CFD-Rechnungen ausgeführt sowie der 1,5-stufige Aufbau (Vorleitgitter, rotierender Nachlauferzeuger, T106RUB-Statorgitter) detailliert mittels verschiedener stationärer sowie instationärer Messmethoden experimentell vermessen. Anhand der experimentellen Grenzschicht-Untersuchungen konnte eine wertvolle Datenbasis für die in Begleitung durchgeführten Large Eddy Simulationen des Mittelschnittbereichs erzeugt werden, welche eine ausgezeichnete Übereinstimmung erreichten. Übereinstimmend gezeigt werden konnte der Zeit-aufgelöste Einfluss der Nachlauf-Turbulenz auf das Grenzschichtverhalten des T106RUB-Profils im Mittelschnitt. Je nach Nachlauf-Frequenz und Turbulenzgehalt der Nachläufe unterscheidet sich sowohl die Dauer als auch die Stärke der Nachlauf-Auswirkungen auf die Grenzschicht. Bei hoher Strouhal-Zahl und damit starken, zeitlich eng aufeinander folgenden Nachläufen unterliegt die Ablöse-gefährdete Grenzschicht im hinteren Bereich der Schaufel-Saugseite permanent dem Einfluss der Nachläufe: die Grenzschicht pendelt zwischen einem überwiegend turbulenten und einem beruhigten Zustand. Die Transitionsform wird somit von einer Transition über eine laminare Ablösung hin zur Nachlauf-induzierten Transition verschoben. Für niedrige Strouhal-Zahlen konkurrieren die Effekte des direkten, aber schwachen Nachlaufs mit kinematischen Effekten einer beschleunigten Saugseiten-Strömung. Mittels Durchführung von rechenintensiven Large Eddy Simulationen konnten die bekannten Schwächen der für RANS-Simulationen verwendeten Modelle bei der Turbulenz- und Transitionsmodellierung (Turbulenzabklingverhalten, Bestimmung des Umschlagpunktes) erfolgreich umgangen werden. Neben der Grund-Konfiguration wurde weiterhin eine Konfiguration mit Radialspalt zwischen Schaufel und Nabenseitenwand experimentell und numerisch mittels URANS-Simulationen untersucht. Durch die zeitlich-aufgelösten experimentellen Untersuchungen des Spaltbereichs in der Gitter-Abströmung konnte auch hier ein erheblich instationäres Verhalten der Wirbelstrukturen des Sekundärströmungssystems erfasst werden. Die Spaltströmung dominiert für die untersuchte Konfiguration die Seitenwand-nahe Strömung und reagiert weniger stark auf die Nachlauf-Frequenz und -Stärke, als die übrigen untersuchten Strömungsmechanismen. Der Einfluss einer rotierenden Seitenwand konnte lediglich in unmittelbarer Wandnähe nachgewiesen werden. Eine maßgebliche Modifikation des entstehenden Sekundärströmungssystems konnte anhand der durchgeführten URANS-Simulationen nicht bestätigt werden. Insgesamt konnten im Rahmen des Projektes wertvolle Ergebnisse erzeugt werden. Diese sind aufgrund des realisierten Ringgitter-Aufbaus und der zeitlich hochaufgelösten experimentellen Vermessung in dieser Form selten, jedoch für das Grundlagenverständnis der Strömungsphänomene äußerst wertvoll. Da sich die Arbeiten zur Ermöglichung der durchgeführten Grenzschicht-Untersuchungen als deutlich umfangreicher und aufwändiger gestalteten als geplant, sich jedoch gleichzeitig als äußerst vielversprechend und veröffentlichungswürdig erwiesen, wurde die Aufmerksamkeit der Arbeiten auf diesen Bereich vergrößert.
Publications
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“On the Periodically Unsteady Interaction of Wakes, Secondary Flow Development and Boundary Layer Flow in an Annular LPT Cascade. Part 1 – Experimental Investigation“, ASME Paper No. GT2018-76802, ASME Turbo Expo, June 11-15, 2018, Oslo, Norway
Sinkwitz, M., Winhart, B., Engelmann, D., di Mare, F. and Mailach, R.
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“On the Periodically Unsteady Interaction of Wakes, Secondary Flow Development and Boundary Layer Flow in an Annular LPT Cascade. Part 2 – Numerical Investigation“, ASME Paper No. GT2018-76873, ASME Turbo Expo, June 11-15, 2018, Oslo, Norway
Winhart, B., Sinkwitz, M., Engelmann, D., di Mare, F. and Mailach, R.
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“Experimental and Numerical Investigation of Secondary Flow Structures in an Annular LPT Cascade under Periodic Wake Impact – Part 1: Experimental Results”, ASME. J. Turbomach. 2019; 141(2): 021008-021008-8
Sinkwitz, M., Winhart, B., Engelmann, D., di Mare, F. and Mailach, R.
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“Experimental and Numerical Investigation of Secondary Flow Structures in an Annular LPT Cascade under Periodic Wake Impact – Part 2: Numerical Results”, ASME. J. Turbomach. 2019; 141(2): 021009- 021009-9
Winhart, B., Sinkwitz, M., Schramm, A., Engelmann, D., di Mare, F. and Mailach, R.
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“On the Periodically Unsteady Interaction of Wakes, Secondary Flow Development, and Boundary Layer Flow in An Annular Low-Pressure Turbine Cascade: An Experimental Investigation", ASME. J. Turbomach. 2019; 141(9):091001-091001-8
Sinkwitz, M., Winhart, B., Engelmann, D., di Mare, F. and Mailach, R.
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"Large-Eddy Simulation of Periodic Wake Impact on Boundary Layer Transition Mechanisms on a Highly Loaded Low-Pressure Turbine Blade", ASME Paper No. GT2020-14555, ASME Turbo Expo, September 21-25, 2020, Virtual, Online
Winhart, B., Sinkwitz, M., Post, P., Schramm, A. and di Mare, F.
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“Time-Resolved Measurements of the Unsteady Boundary Layer in an Annular Low-Pressure Turbine Configuration with Perturbed Inlet”, ASME Paper No. GT2020-15319, ASME Turbo Expo, September 21-25, 2020, Virtual, Online
Sinkwitz, M., Winhart, B., Engelmann, D. and di Mare, F.
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2021: “Experimentelle Untersuchung der Entstehung von Sekundärströmung in Turbinen-Ringgittern unter periodisch-instationärer Zuströmung“, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum
Sinkwitz, M.
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2021: “Near-Wall Flow in Turbomachinery Cascades – Results of a German Collaborative Project”, Int. J. Turbomach. Propuls. Power. 2021; 6 (2), 9
Engelmann, D., Sinkwitz, M., di Mare, F., Koppe, B., Mailach, R., Ventosa-Molina, J., Fröhlich, J., Schubert, T. and Niehuis, R.
