Research - Forschung
   
 
Hobby - Hobby
   


Turbomachinery Research - Turbomaschinenforschung
 

In our cars they put additional thrust to the engines, they drive planes, ships and helicopters. They operate in electric power stations 24 hours a day, 365 days a year, converting thermal energy from a combustion process to mechanical energy, thus driving the electric generator.

In unseren Kraftfahrzeugen helfen sie den Motoren, sie treiben Flugzeuge, Schiffe und Hubschrauber an. Sie laufen in Kraftwerken 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr, wandeln thermische Energie aus einem Verbrennungsprozess in mechanische Energie um und treiben somit den Generator an, der wiederum elektrischen Strom erzeugt.


 

Basics Turbomachinery - Grundlagen Turbomaschinen
 


Aero engines consists of a compressor compressing the air, a combustion chamber where the fuel is burned and a turbine, which expands the compressed, hot exhaust gas, providing power to the shaft and thrust to the machine. The first slide gives an impression how the fan and the last stage in an aero engine are substituted by an additional turbine stage at the exit, driving an electrical generator in a power plant. Such type of turbomachinery is called aeroderivate and produces electricity in power plants. The movie presents a small jet engine model built by students.

Flugtriebwerke bestehen aus einem Kompressor, welcher die Luft komprimiert, einer Brennkammer, in welcher der Treibstoff verbrannt wird und einer Turbine, welche das heiße, unter Druck stehende Abgas expandiert und Leistung auf die Welle und Schub auf das Flugzeug überträgt. Das erste Bild zeigt andeutungsweise wie ein solches Triebwerk umgebaut wird, um durch eine zusätzliche Turbinenstufe am Austritt einen Generator in einem Kraftwerk anzutreiben. Solche stationären Turbomaschinen werden als Aeroderivate bezeichnet und erzeugen elektrischen Strom. Der Film zeigt ein Modelltriebwerk, welches von Studenten gebaut wurde.

 
 
 
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Graz Cycle and Test Rig at TU Graz - Der Graz Cycle und der TU Graz Versuchsstand
 


Due to the environmental pollution, increasing energy consumption and decreasing resources, it is necessary to raise efficiency and minimise the fuel consumption of thermal turbomachines. It is also necessary to capture the carbondioxid otherwise released into the atmosphere. Therefore, research at TU Graz focuses on the "Graz Cycle", providing CO2 capture for possible sequestration. The movie presents the transonic test turbine at TU Graz.

Aufgrund der Umweltbelastung, steigender Energienachfrage und abnehmender Rohstoffquellen ist es erforderlich den Wirkungsgrad von thermischen Turbomaschinen zu erhöhen und den Brennstoffverbrauch zu reduzieren. Es ist ebenso erforderlich das Kohlendioxid aufzufangen, welches anderenfalls in die Atmosphäre entweicht. Aus diesem Grund fokussiert die Forschung an der TU Graz auf den "Graz Cycle", welcher die Rückhaltung des CO2 für möglich Lagerung vorsieht. Der Film stellt die transsonische Versuchsturbine der TU Graz vor.

 
 
 
 
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J.Woisetschläger (2007) From the Doppler effect to the CO2 reduction, in: E. Hiebl, M. Musso (Eds) Christian Doppler: Life and Work, Principle and Applications, Proceedings of the Commemorative Symposia in 2003 - Salzburg, Prague, Vienna, Venice, Living Edition, ISBN 978-3-901585-09-8

   
H.Jericha, W.Sanz, J.Woisetschläger (1996) Optimierung von Gasturbinen, GWA, Vol 76, 3 pp 190-198 (invited, in German)

   
H.Jericha, W.Sanz, J.Woisetschläger, M.Fesharaki (1995) CO2-Retention Capability of CH4/O2 fired Graz Cycle, Proc. CIMAC 1995, paper G07


 

Flow Visualization - Strömungsvisualisierung
 


Due to the compressibility of air, the flow through a turbine can be visualized by a Schlieren technique.

Die Strömung durch einen Turbinenstufe kann aufgrund der Kompressibilität der Luft mit Hilfe der Schlierenmethode sichtbar gemacht werden.

 
 
 
 
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E.Göttlich, H.Lang, W.Sanz, J.Woisetschläger (2002) Experimental Investigation of an innovative cooling system (ICS) for high temperature transonic turbine stages, ASME Turbo Expo 2002, Amsterdam, GT-2002-30341


 

Experimental Flow Diagnostics - Experimentelle Strömungsuntersuchung
 


Often, the flow through modern turbines reaches supersonic speed. The following picture presents the experimental setup for the measurements in such a turbine. This turbine rotated with 11500 rpm, 7000 times a second a single rotor blades passes a fixed stator blade. The movie presents experimental data, red colour indicates supersonic speed behind the stator and the rotor.

Moderne Turbinen werden häufig im Überschallbereich durchströmt. Das folgende Bild zeigt einen Messaufbau um eine solche Turbinenstufe, die sich mit 11500 Upm drehte. Hierbei kommen die einzelnen Turbinenschaufeln des Rotors ca. 7000 mal pro Sekunde an der selben Schaufel des fest stehenden Stators vorbei. Der Film zeigt ein solches Messergebnis, Überschallgeschwindigkeiten hinter dem Stator und dem Rotor sind rot eingefärbt.

 
 
 
 
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J. Woisetschläger, E. Göttlich (2008) Recent Applications of Particle Image Velocimetry to Flow Research in Thermal Turbomachinery, in: A.Schröder, C.M.Willert (Eds.): Particle Image Velocimetry New Developments and Recent Applications, Topics of Applied Physics, Springer, Wien Heidelberg New York, ISBN 978-3-540-73527-4
download manuscript of this review article on PIV in turbomachinery (with name/year references)


   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E. Göttlich, O. Schennach, A. Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2008) Experimental and Numerical Flow Visualization in a Transonic Turbine, Journal of Visualization, Vol. 11, No.1, pp 95-102

 

J. Woisetschläger, H. Lang, E. Göttlich (2007) Stereo PIV applied to a transonic turbine, in: M.Raffel, C.M.Willert, S.T.Wereley, J.Kompenhans (Eds.) Particle Image Velocimetry - A Practical Guide, 2nd edition, Experimental Fluid Mechanics, Series, Springer, Wien Heidelberg New York, ISBN: 978-3-540-72307-3

   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E.Göttlich, O.Schennach, A.Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2006) Laser-optical investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine, Proc. 12 th International Symposium on Flow Visualization, September 10-14, 2006, German Aerospace Center (DLR), Göttingen, Germany, paper 095

   
E.Göttlich, J.Woisetschläger, P.Pieringer, B.Hampel, F.Heitmeir (2006) Investigation of vortex shedding and wake-wake interaction in a transonic turbine stage using Laser-Velocimetry and Particle-Image-velocimetry, ASME J. Turbomach., Vol 128, pp 178-187
selected paper: ASME TURBO EXPO 2005, E.Göttlich, J.Woisetschläger, P.Pieringer, B.Hampel, F.Heitmeir (2005) Investigation of vortex shedding and wake-wake interaction in a transonic turbine stage using Laser-Velocimetry and Particle-Image-velocimetry, ASME Turbo Expo 2005, Reno, Nevada, GT2005-68579

   
E.Göttlich, F.Neumayer, P.Pieringer, J.Woisetschläger, W.Sanz, F.Heitmeir, (2004) Investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine stage using laser-doppler-velocimetry and pneumatic probes, ASME J. Turbomach., ASME J. Turbomach., April 2004, 126: 297-305
selected paper: ASME TURBO EXPO 2003 E.Göttlich, F.Neumayer, P.Pieringer, J.Woisetschläger, W.Sanz, F.Heitmeir, (2003) Investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine stage using laser-doppler-velocimetry and pneumatic probes, ASME TURBO EXPO 2003 , Atlanta, Georgia, GT 2003-38266

   
E.Göttlich, J.Woisetschläger, B.Hampel, H.Jericha, H.Heitmeir (2004) Experimentelle Untersuchung instationärer Effekte in einer transsonischen Turbinenstufe / Experimental investigations of unsteady effects in transonic turbines, in "Stationäre Gasturbinen: Fortschritte und Betriebserfahrungen", VDI-Bericht 1857, pp 109-118

   
F.Heitmeir, J.Woisetschläger, W.Sanz, H.Jericha (2003) Transonic turbine testing, Proceedings 5th European Conference on Turbomachinery, Praque, 2003, pp 837-848

   
J.Woisetschläger, H.Jericha, H.Pirker, N.Mayrhofer (1995) Moderne Laseroptische Meßtechnik zur Turbomaschinenentwicklung am Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik der Technischen Universität Graz, ÖIAZ, Vol. 10-11/95, pp 341-345 (in German)


 

Clocking - Clocking
 


In multi-stage turbines the question remains how the vanes have to be aligned to obtain a highest possible efficiency. This clock-wise turning of the vanes against each other is called clocking. Two different clocking positions with low and high efficiency are shown in the next two movies. The final movie presents the complex flow through a 1.5 stage. The experimental and numerical results were obatined within a project funded by the Austrian Science Fund, the visualisation was done by Drs. Pecnik and Schennach.

In mehrstufigen Turbinen stellt sich die Frage, wie die einzelnen Statoren anzuordnen sind, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Dieses Verdrehen der Statorbeschaufelungen gegeneinander im Uhrzeigersinn wird clocking genannt (clock, engl. Uhr). Zwei verschiedene Clocking-Positionen mit niedrigem und hohen Wirkungsgrad zeigen die folgenden zwei Filme. Der dritte und letzte Film zeigt die komplexe Strömung durch eine 1.5 Stufe. Die experimentellen und nuerischen Ergebnisse wurden im Rahmen eines, vom Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung geförderten Projektes gewonnen, die Animation von Dr. Pecnik und Dr. Schennach hergestellt.

 
 
 
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O. Schennach, J. Woisetschläger,B.Paradiso, G.Persico, P.Gaetani (2010) Three dimensional clocking effects in a one and a half stage transonic turbine, ASME J. Turbomach., Vol. 132, 011019

   
O. Schennach, R. Pecnik, B. Paradiso, E. Göttlich, A. Marn, J. Woisetschläger (2008) The effect of vane clocking on the unsteady flowfield in a one and a half stage transonic turbine, ASME J. Turbomach., Vol. 130, 031022
selected paper: ASME TURBO EXPO 2007, O. Schennach, R. Pecnik, B. Paradiso, E. Göttlich, A. Marn, J. Woisetschläger (2007) The effect of vane clocking on the unsteady flowfield in a one and a half stage transonic turbine, ASME Turbo Expo 2007, May 14-17, 2007, Montreal, Canada, GT2007- 27848

   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E. Göttlich, O. Schennach, A. Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2008) Experimental and Numerical Flow Visualization in a Transonic Turbine, Journal of Visualization, Vol. 11, No.1, pp 95-102

   
O.Schennach, R.Pecnik, J.Woisetschläger, E.Göttlich, A.Marn, F.Heitmeir (2007) Influence of vane clocking on the unsteady flowfield in a one and a half stage transonic turbine, Proc. 7th European Conference on Turbomachinery, 5-9 March 2007, Athens, pp 1259-1272

   
O.Schennach, J.Woisetschläger, A. Marn, E. Göttlich (2007) Laser-Doppler-Velocimetry measurements in a one and a half stage transonic test turbine with different angular stator-stator positions, Exp.Fluids, Vol.43, pp385-393
selected paper: International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics: O.Schennach, J.Woisetschläger, A. Marn, E. Göttlich (2006) Laser-Doppler-Velocimetry measurements in a one and a half stage transonic test turbine with different angular stator-stator positions, Proc. 13 th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, paper 1131

   
O. Schennach, J. Woisetschläger, A. Fuchs, E. Göttlich, A. Marn, R. Pecnik (2007) Experimental Investigations of clocking in a one and a half stage transonic turbine using Laser-Doppler-Velocimetry and a fast response aerodynamics pressure probe, ASME J. Turbomach., Vol. 129, pp372-381
selected paper: ASME TURBO EXPO 2006, O. Schennach, J. Woisetschläger, A. Fuchs, E. Göttlich, A. Marn, R. Pecnik (2006) Experimental Investigations of clocking in a one and a half stage transonic turbine using Laser-Doppler-Velocimetry and a fast response aerodynamics pressure probe, ASME Turbo Expo 2006, Barcelona, Spain, GT2006-90264

   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E.Göttlich, O.Schennach, A.Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2006) Laser-optical investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine, Proc. 12 th International Symposium on Flow Visualization, September 10-14, 2006, German Aerospace Center (DLR), Göttingen, Germany, paper 095


 

Computational Fluid Dynamics - Numerische Strömungssimulation
 


Experimental data are mostly used to verify numerical simulations. With faster processors and sophisticated algorithms the computation of the flow through any type of turbomachinery is within reach. The first picture presents experimental data, the others numerical results. The visualization was done by Dr.Rene Pecnik.

Experimentelle Daten werden in der Regel zur Bestätigung von Modellrechnungen benötigt. Immer schnellere Computer und immer trickreichere Algorithmen erlauben so die Berechnung der Strömung durch beliebige Turbomaschinen. Das erste Bild zeigt Messergebnisse, die weiteren numerische Modellierungen. Die Visualisierung wurde von Dr.Rene Pecnik durchgeführt.

 
 
 
 

   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E. Göttlich, O. Schennach, A. Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2008) Experimental and Numerical Flow Visualization in a Transonic Turbine, Journal of Visualization, Vol. 11, No.1, pp 95-102

   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E.Göttlich, O.Schennach, A.Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2006) Laser-optical investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine, Proc. 12 th International Symposium on Flow Visualization, September 10-14, 2006, German Aerospace Center (DLR), Göttingen, Germany, paper 095

   
P.Pieringer, E.Göttlich, J.Woisetschläger, W.Sanz, F.Heitmeir (2005) Numerical investigation of the unsteady flow through a transonic turbine stage, Proc. 6th European Conference on Turbomachinery, Lille, pp. 339-352

   
R.Pecnik, W.Sanz, A.Gehrer, J.Woisetschläger, (2003) Transition Modeling using Two Different Intermittency Transport Equations, J. Flow, Turbulence and Combustion Vol.70, pp299-323

   
R. Pecnik, W.Sanz, A.Gehrer, J.Woisetschläger (2003) Computation of laminar-turbulent transition in turbomachinery using an intermittency transport model, - Proceedings 5thEuropean Conference on Turbomachinery, Praque, 2003, pp 925-936

   
F.Heitmeir, J.Woisetschläger, W.Sanz, H.Jericha (2003) Transonic turbine testing, Proceedings 5th European Conference on Turbomachinery, Praque, 2003, pp 837-848

   
H.Jericha, W.Sanz, J.Woisetschläger (1996) Optimierung von Gasturbinen, GWA, Vol 76, 3 pp 190-198 (invited, in German)

 

  Jakob Woisetschläger // TU Graz // Inffeldgasse 25A // A-8010 Graz // Phone: +43 (316) 873 7227 // Fax: +43 (316) 873 7239
eMail: jakob.woisetschlaeger@tugraz.at // TTM-Institute // Graz University of Technology © 2006