Diese Arbeit umfaßt theoretische und experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in verschieden rauhen, natürlich gewachsenen Windkanalgrenzschichten (von hydraulisch glatt bis aerodynamisch vollrauh). Dabei werden ausgewählte turbulente Strömungs- und Ausbreitungsgrößen als Funktion der Rauhigkeit und der Höhe vorgestellt. Ferner wird mit den aus der Literatur bekannten kohärenten Strukturen eine bildhafte Vorstellung der physikalischen Vorgänge gegeben. Aus den umfangreichen Untersuchungen zum Strömungsfeld werden die Höhenprofile der mittleren Geschwindigkeit, der Turbulenzintensitäten, der turbulenten Schubspannung und der turbulenten Wirbelzähigkeit präsentiert. Genannt seien zwei wesentliche Ergebnisse: Erstens, es existiert eine einfache, theoretische Beziehung zwischen den Reynolds?schen Normalspannungen und der turbulenten Schubspannung. Beide sind durch den sogenannten Neigungswinkel miteinander gekoppelt. Dieser höhen- und rauhigkeitsabhängige Winkel, der durch eine Hitzdrahtmessung mit nur einer X-Sonde bestimmbar ist, charakterisiert die Ebene, auf der sich kohärente Strukturen stromabwärts bewegen. Zweitens, es besteht eine starke Diskrepanz zwischen integralen Längenmaßstäben der Turbulenz, die einerseits aus Autokorrelations- und andererseits aus 2-Punkt-Korrelationsmessungen ermittelt werden. Der Unterschied wird durch die Verletzung der Taylor-Hypothese in der turbulenten Scherschicht verursacht. Als Ergebnis folgt, daß statt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit die sogenannte Wirbeltransportgeschwindigkeit zur Umrechnung von Längen- und Zeitmaßstäben verwendet werden muß. Weiterhin wird die Ausbreitung eines passiven Tracergases im Nachlauf einer horizontal ausblasenden Punktquelle untersucht. Die turbulenten Massenflüsse werden direkt gemessen. Damit wird einerseits das Problem der Vernachlässigung des in Ausbreitungsrichtung liegenden turbulenten Massenflusses gegenüber dem konvektiven Transport untersucht, und andererseits werden mittels der Boussinesq-Approximation die turbulenten Diffusionsparameter als Funktion der Höhe berechnet. Ferner werden theoretische Beziehungen, die das Nah- und Fernfeld berücksichtigen, sowohl für die turbulenten Diffusionsparameter als auch für die räumlichen Ausbreitungsparameter hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird aus dem Verhältnis der turbulenten Diffusionsparameter für den Impuls- und Stoffaustausch die turbulente Schmidt-Zahl berechnet, die keine, wie in der Literatur oft angenommene, Konstante ist, sondern stark über der Höhe variiert.

Ziel dieser Arbeit war, die Auswirkungen von Clocking der Leitreihen eines mehrstufigen Axialverdichters auf Potentiale hinsichtlich der Beeinflussung instationärer und stationärer Effekte zu untersuchen und zum grundlegenden Verständnis der instationären Schaufelinteraktion beizutragen. Dazu wurden über 2000 Leitgitterkonfigurationen vermessen, so dass der Einfluss von Clocking auf den Wirkungsgrad entlang der Kennlinie bei Auslegungsdrehzahl, auf die Schaufelgrenzschichten und auf die Betriebsgrenzen untersucht und dokumentiert werden konnte. Vor allem wurde so eine erhebliche Beeinflussung der Pumpgrenze gefunden, während das Grenzschichtverhalten auf den Schaufeln und der Wirkungsgrad im praktisch relevanten Bereich der Kennlinie kaum verändert wurden. Hauptgegenstand der Untersuchungen war aber der Einfluss von Stator-Clocking auf die instationären Druckverteilungen und die resultierenden instationären Erregerkräfte an den Lauf- und Leitschaufeln. Die Vermessung der Auswirkungen der Positionierung jedes einzelnen Leitgitters wurde genutzt, um durch eine einfache Optimierung zwei geometrische Konfigurationen aller Leitgitter zu entwickeln. Die eine Konfiguration führte zu geringen aerodynamischen Erregerkräften an den Laufschaufeln aller Stufen, während die andere Konfiguration eine gleichmäßig hohe instationäre Anregung zur Folge hatte. Die Unterschiede der instationären Erregerkräfte zwischen den Konfigurationen waren erheblich und über weite Bereiche der Kennlinie unabhängig vom Betriebspunkt, ohne das die Konfiguration der Leitgitter geändert wurde. Für eine umfassende Analyse der periodisch instationären, aerodynamischen Schaufelinteraktion wurden sowohl die Schaufeldruckverteilungen, als auch das Strömungsfeld in den axialen Schaufelzwischenräumen im Mittelschnitt der Beschaufelung für beide Clocking-Konfigurationen zeitgenau vermessen und vergleichend ausgewertet. Aus diesen Analysen konnte mithilfe der Wellenmechanik eine einfache analytische Beschreibung der instationären Interaktion der Potentialfelder der Beschaufelung entwickelt werden. Für eine einzelne Stufe wurde mit diesem Modell die experimentell bestimmte Phasendifferenz der Druckschwankungen auf Druck- und Saugseite auf sehr einfache Weise nachgewiesen. Damit liegt ein einfaches, analytisches Modell für die Beschreibung der komplexen Überlagerung der sich relativ zueinander bewegenden Druckfelder der Beschaufelung axialer Turbomaschinen vor, das für das physikalische Verständnis der instationären Schaufelinteraktion einen wertvollen Beitrag liefert.

Diese Arbeit umfaßt theoretische und experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in verschieden rauhen, natürlich gewachsenen Windkanalgrenzschichten (von hydraulisch glatt bis aerodynamisch vollrauh). Dabei werden ausgewählte turbulente Strömungs- und Ausbreitungsgrößen als Funktion der Rauhigkeit und der Höhe vorgestellt. Ferner wird mit den aus der Literatur bekannten kohärenten Strukturen eine bildhafte Vorstellung der physikalischen Vorgänge gegeben. Aus den umfangreichen Untersuchungen zum Strömungsfeld werden die Höhenprofile der mittleren Geschwindigkeit, der Turbulenzintensitäten, der turbulenten Schubspannung und der turbulenten Wirbelzähigkeit präsentiert. Genannt seien zwei wesentliche Ergebnisse: Erstens, es existiert eine einfache, theoretische Beziehung zwischen den Reynolds?schen Normalspannungen und der turbulenten Schubspannung. Beide sind durch den sogenannten Neigungswinkel miteinander gekoppelt. Dieser höhen- und rauhigkeitsabhängige Winkel, der durch eine Hitzdrahtmessung mit nur einer X-Sonde bestimmbar ist, charakterisiert die Ebene, auf der sich kohärente Strukturen stromabwärts bewegen. Zweitens, es besteht eine starke Diskrepanz zwischen integralen Längenmaßstäben der Turbulenz, die einerseits aus Autokorrelations- und andererseits aus 2-Punkt-Korrelationsmessungen ermittelt werden. Der Unterschied wird durch die Verletzung der Taylor-Hypothese in der turbulenten Scherschicht verursacht. Als Ergebnis folgt, daß statt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit die sogenannte Wirbeltransportgeschwindigkeit zur Umrechnung von Längen- und Zeitmaßstäben verwendet werden muß. Weiterhin wird die Ausbreitung eines passiven Tracergases im Nachlauf einer horizontal ausblasenden Punktquelle untersucht. Die turbulenten Massenflüsse werden direkt gemessen. Damit wird einerseits das Problem der Vernachlässigung des in Ausbreitungsrichtung liegenden turbulenten Massenflusses gegenüber dem konvektiven Transport untersucht, und andererseits werden mittels der Boussinesq-Approximation die turbulenten Diffusionsparameter als Funktion der Höhe berechnet. Ferner werden theoretische Beziehungen, die das Nah- und Fernfeld berücksichtigen, sowohl für die turbulenten Diffusionsparameter als auch für die räumlichen Ausbreitungsparameter hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird aus dem Verhältnis der turbulenten Diffusionsparameter für den Impuls- und Stoffaustausch die turbulente Schmidt-Zahl berechnet, die keine, wie in der Literatur oft angenommene, Konstante ist, sondern stark über der Höhe variiert.

Ziel dieser Arbeit war, die Auswirkungen von Clocking der Leitreihen eines mehrstufigen Axialverdichters auf Potentiale hinsichtlich der Beeinflussung instationärer und stationärer Effekte zu untersuchen und zum grundlegenden Verständnis der instationären Schaufelinteraktion beizutragen. Dazu wurden über 2000 Leitgitterkonfigurationen vermessen, so dass der Einfluss von Clocking auf den Wirkungsgrad entlang der Kennlinie bei Auslegungsdrehzahl, auf die Schaufelgrenzschichten und auf die Betriebsgrenzen untersucht und dokumentiert werden konnte. Vor allem wurde so eine erhebliche Beeinflussung der Pumpgrenze gefunden, während das Grenzschichtverhalten auf den Schaufeln und der Wirkungsgrad im praktisch relevanten Bereich der Kennlinie kaum verändert wurden. Hauptgegenstand der Untersuchungen war aber der Einfluss von Stator-Clocking auf die instationären Druckverteilungen und die resultierenden instationären Erregerkräfte an den Lauf- und Leitschaufeln. Die Vermessung der Auswirkungen der Positionierung jedes einzelnen Leitgitters wurde genutzt, um durch eine einfache Optimierung zwei geometrische Konfigurationen aller Leitgitter zu entwickeln. Die eine Konfiguration führte zu geringen aerodynamischen Erregerkräften an den Laufschaufeln aller Stufen, während die andere Konfiguration eine gleichmäßig hohe instationäre Anregung zur Folge hatte. Die Unterschiede der instationären Erregerkräfte zwischen den Konfigurationen waren erheblich und über weite Bereiche der Kennlinie unabhängig vom Betriebspunkt, ohne das die Konfiguration der Leitgitter geändert wurde. Für eine umfassende Analyse der periodisch instationären, aerodynamischen Schaufelinteraktion wurden sowohl die Schaufeldruckverteilungen, als auch das Strömungsfeld in den axialen Schaufelzwischenräumen im Mittelschnitt der Beschaufelung für beide Clocking-Konfigurationen zeitgenau vermessen und vergleichend ausgewertet. Aus diesen Analysen konnte mithilfe der Wellenmechanik eine einfache analytische Beschreibung der instationären Interaktion der Potentialfelder der Beschaufelung entwickelt werden. Für eine einzelne Stufe wurde mit diesem Modell die experimentell bestimmte Phasendifferenz der Druckschwankungen auf Druck- und Saugseite auf sehr einfache Weise nachgewiesen. Damit liegt ein einfaches, analytisches Modell für die Beschreibung der komplexen Überlagerung der sich relativ zueinander bewegenden Druckfelder der Beschaufelung axialer Turbomaschinen vor, das für das physikalische Verständnis der instationären Schaufelinteraktion einen wertvollen Beitrag liefert.

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