Modellierung und numerische Simulation der Nachlaufstruktur von Turbomaschinen am Beispiel einer Axialturbinenstufe

Bei der Auslegung und Konstruktion moderner Turbomaschinen werden die Instationaritäten immer wichtiger. Von besonderem Interesse hierbei ist die Wechselwirkung stehender und rotierender Schaufelreihen. Anhand einer Axialturbinestufe wurde mit Hilfe der CFD eine Parameterstudie der Einflüsse Reynoldszahl, Turbulenzgrad und Betriebspunkt auf die Nachlaufstruktur durchgeführt. Bevor ein solch komplexes instationäres Strömungsproblem simuliert werden, muessen die Fragen: - Was ist das geeignete Turbulenzmodell? - Was ist die geeignete Netzstruktur? - Was ist das geeignete Strömungsgebiet? geklärt werden. Hierfür wurden zunächst Teilprobleme simuliert und mit experimentellen Daten verglichen. Hierbei handelte es sich um: - Eine stationäre Einzelprofilumströmung - Eine stationäre Gitterströmung - Eine instationäre Stufenströmung Bei der Berechnung dieser Teilprobleme wurden ein 1-Gleichungsmodell, mehrere 2-Gleichungsmodelle und ein lineares Reynoldsspannungsmodell mit experimentellen Daten verglichen. Als Ergebnis läßt sich festhalten: 1) Das lineare RSM ist am besten fuer eine instationäre Simulation einer Turbinenstufe geeignet. 2) Fuer eine instationäre Profilumströmung sollte eine O/H-Netzstruktur gewählt werden. Die Ergebnisse der Parameterstudie bezüglich der Einflussgrößen auf die Nachlaufstruktur innerhalb einer Axialturbinenstufe sind im folgenden skizziert: 1) Mit zunehmendem Turbulenzgrad der ungestörten Anströmung ergibt sich ein ausgeglicheneres Strömungsfeld. 2) Mit abnehmender Reynoldszahl ergibt sich eine ausgeprägtere Nachlaufstruktur. 3) Bei Änderung des Betriebspunktes ergibt sich eine starke Fehlanströmung des Rotors. Die Ablöseneigung am Rotor nimmt zu. Außerdem nimmt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit der Einfluß auf die Turbulenzstruktur zu.