Simulation of Combustor-Turbine Interaction in a Jet Engine

In the present work, “Simulation of Combustor-Turbine Interaction in a Jet Engine”, the theory and the simulation of combustor-turbine interaction in a jet engine are presented.

The objective of this thesis was the extension of a given incompressible CFD-code for the calculation of the compressible, reactive flow inside the combustor and the adjacent stator of a jet engine. The extended solver shall be used to investigate possible interaction between combustor and turbine of a jet engine.

The following two main topics were addressed: The given incompressible solver PRECISE-UNSTRUCTURED, which is used by the combustor group of Rolls-Royce Deutschland, uses a SIMPLE procedure for the solution of the Navier-Stokes equations. This algorithm was extended with an all-Mach number formulation for the calculation of compressible flow. The implementation was verified and validated with several test cases. Comparison to analytical and experimental references showed good agreement. Simulations of a real first stator of a Rolls-Royce Deutschland jet engine were performed to demonstrate the ability of the code to calculate flow in complex geometries.

The combustion model PPDF-FGM (presumed probability density function-flamelet generated manifold) was to be used for the simulation of combustion. This model uses a stochastic mixture fraction and progress variable approach to account for chemistry-turbulence interaction. It was already available in the given code. But the model was originally developed under the assumption of incompressible flow. Therefore, its coupling with the SIMPLE algorithm needed to be changed. A respective coupling mechanism was developed and implemented. The limiting cases, incompressible combustion and non-reactive compressible flow, were used to verify the implementation. The results using the coupled algorithm were as expected.

Finally, the developed code was used to perform an integrated simulation of a combustor and the first stator of a jet engine in one integral simulation. A second simulation without a stator was used to identify influences due to the stator on the flow in the rear part of the combustor.

Die vorliegende Arbeit, "Simulation of Combustor-Turbine Interaction in a Jet Engine", behandelt die Grundlagen und Simulation der Brennkammer-Turbine Interaktion in einem Flugtriebwerk.

Ziel der Arbeit war es, einen vorhanden CFD-Löser zu erweitern, so dass die Berechnung der reaktiven Strömung in einer Brennkammer eines Flugtriebwerks bis hinter den Stator der ersten Turbinenstufe möglich ist. Mithilfe dieses Lösers sollen dann mögliche Interaktionseffekte zwischen Brennkammer und Turbine untersucht werden.

Dabei wurden die folgenden zwei wesentlichen Aspekte behandelt: In den vorgegebenen, inkompressiblen Verbrennungs-CFD-Code PRECISE-UNSTRUCTURED der Brennkammer Abteilung von Rolls-Royce Deutschland wurde ein erweiterter SIMPLE Algorithmus implementiert, welcher die Berechnung der kompressiblen Strömung im Stator der ersten Turbinenstufe ermöglicht. Die Implementierung wurde anhand mehrerer Testfällen verifiziert und validiert. Es wurde gezeigt, dass die Erweiterung sowohl analytische als auch experimentelle Referenzen gut wiedergeben kann. Die Fähigkeit des Codes auch Strömungen in komplexen Geometrien rechnen zu können, wurde anhand eines realen Stators eines Triebwerks von Rolls-Royce Deutschland demonstriert.

Zur Berechnung der Verbrennung sollte das PPDF-FGM (presumed probability density function-flamelet generated manifold) Modell benutzt werden. Dieses Verbrennungsmodell nutzt tabellierte Chemie mit angenommener Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für den Mischungsbruch und eine Fortschrittsvariable zur Berücksichtigung der Chemie-Turbulenz Interaktion. Es war bereits im Ausgangscode implementiert. Allerdings wurde dieses Modell für die Annahme inkompressibler Strömung entwickelt. Um es auch mit dem erweiterten SIMPLE Algorithmus nutzen zu können, wurde eine Kopplungsmethode entwickelt und in den Löser implementiert. Die Methode wurde anhand der Grenzfälle, inkompressible Verbrennung und kompressible Strömung ohne Reaktion, verifiziert. Der gekoppelte Mechanismus lieferte die erwarteten Ergebnisse.

Abschließend wurde mithilfe des neuen Lösers eine integrative Berechnung einer Brennkammer und dem sich anschließenden Stator durchgeführt. Eine Vergleichsrechnung ohne Stator wurde genutzt um den Einfluss des Stators auf das Strömungsfeld im hinteren Bereich der Brennkammer zu identifizieren.