Entwicklung einer Berechnungsstrategie zur Verbesserung von Dichtsystemen für Radseitenräume in Turbomaschinen

Forschungsstelle(n)

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut der RWTH Aachen University

Laufzeit

01.10.2016 - 31.03.2019

Kurzfassung

Das Strömungsfeld in einer einstufigen Axialturbine mit 30 Stator- und 62 Rotorschaufeln wird anhand  von  Grobstruktursimulationen  (LES)  untersucht.  Zur  Lösung  der  kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen wird ein parallelisiertes Finite-Volumen Verfahren verwendet. Der Löser basiert auf einem effizienten Cut-Cell/Level-Set Ansatz, der die strikte Erhaltung der Masse, des Impulses und der Energie sicherstellt. Die numerische Methode beinhaltet zwei adaptive kartesische Gitter. Dabei wird ein Gitter dazu verwendet, die bewegten Oberflächen abzubilden,  und  auf  dem  zweiten  Gitter  wird  das  Strömungsfeld  bestimmt.  Dieser  Ansatz ermöglicht  hochaufgelöste  Simulationen  von  Turbomaschinen  mit  mehreren  bewegten Oberflächen in einem einzelnen Referenzsystem. Die relative Bewegung der Oberflächen wird durch  eine  kinematische  Level-Set-Interface-Methode  vorgegeben.  Der  Fokus  der numerischen Analyse liegt auf der Strömung im Radseitenraum zwischen Rotor und Stator. Es  werden  360°  Berechnungen  der  Turbinenstufe  für  zwei  Dichtgeometrien  durchgeführt. Zuerst  wird  der  Einfluss  der  Gitterauflösung  auf  die  Simulationsergebnisse  für  eine Dichtkonfiguration mit einer einzelnen Dichtlippe untersucht. Danach werden die Ergebnisse mit  experimentellen  Daten  verglichen  und  anschließend  wird  das  instantane  instationäre Strömungsfeld  analysiert.  Für  die  Konfiguration  mit  der  einzelnen  Dichtlippe  werden  zwei Moden  im  Radseitenraum  zwischen  Rotor  und  Stator  identifiziert,  die  nicht  auf  die Rotorfrequenz oder eine ihrer Harmonischen zurückzuführen sind. Die erste dieser Moden zeigt einen massiven Einfluss auf den Einzug von Heißgas in den Radseitenraum auf. Die zweite  Mode  entsteht  durch  Interaktion  der  ersten  Mode  mit  der  Strömung  stromab  der Statorschaufeln und dreht entgegengesetzt zur Rotation des Rotors. Abschließend wird der Einfluss  der  Geometrie  der  Dichtlippe  untersucht.  Dazu  werden  die  Ergebnisse  aus  der Simulation  für  die  Konfiguration mit  einzelner  Dichtlippe  mit  denen  aus der  Simulation  mit doppelter Dichtlippe verglichen. Die zusätzliche Dichtlippe dämpft die oben genannten Moden und reduziert den Heißgaseinzug in den Radseitenraum zwischen Rotor und Stator, wodurch die  Kühleffektivität  erhöht  wird.  Dieses  Ergebnis  stimmt  mit  den  experimentellen  Daten überein.  Der  Vergleich  der  LES  Ergebnisse  mit  den  Resultaten  der  von  der  KMU durchgeführten  RANS  (Reynolds-Averaged  Navier-Stokes)-Rechnungen  zeigt,  dass  die RANS-Rechnungen  die  experimentellen  Ergebnisse  des Heißgaseinzuges  der  in  diesem Vorhaben untersuchten geometrischen Konfigurationen und Parameterbereiche nicht korrekt vorhersagen. Der Grund für diese Abweichung wird auf die Schließungsbedingungen in den Turbulenzmodellen  der  RANS-Gleichungen  zurückgeführt,  da  diese  die  Erfassung  der Fluktuationen der radialen Geschwindigkeit im Dichtspalt, die einen bedeutenden Einfluss auf den Heißgaseinzug haben, unterbindet.

Zusammenstellung aller Arbeiten, die im Zusammenhang mit dem Vorhaben veröffentlicht wurden oder in Kürze veröffentlicht werden sollen

Download Bericht IGF 19198 N