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.

Instationary effects become more important for the design of modern turbomachines. Especially the interaction of rotating and standing cascades are subject of research activities. In this work a variation of the turbulence intensity, reynolds-number and the working point was done to analyse the changes that can be obeserved in the wake structure of one stage of an axial turbine. As tool for this examination CFD was used. Bevor simulating such a comlex instationary problem some answers must be found: - What turbulence model has to be used? - What structure of the grid has to be used? - What domain has to be used to simulate this kind of flow problem? In a first step the complex problem of an axial turbine stage was divided in smaller ones in order to get the right answers. These are: - Stationary flow around a single profil - Stationary flow of a cascade - Instationary flow of an axial turbine stage By simulating these flow problems different types of turbulence models were compared with experimental data. These were one 1-equation model, some 2-equation models and one linear Reynolds-stress model. The result of this comparison is: 1) The Reynolds-stress model is the best to simulate the stage of an axial turbine. 2) The O/H-structure should be used for the grid to simulate an instationary flow through an turbine stage. The results of the parameter variation to observe the influence of the turbulence intensity, the reynolds-number and the operating point to the wake structure are listed below: 1) The greater the turbulence intensity, the more moderate is the flow field. 2) The smaller the Reynolds-number, the stronger are the viscous effects and the more significant is the turbulence structure. 3) The variation of the operating point is followed by an increase of the incidence angle of the rotor. In consequence the trend for flow seperation becomes bigger. Also the influence of the turbulence structure becomes stronger with an increase of the flow velocity.