Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer zonalen Simulationsmethode zur Analyse von Strömungen in Dichtungen von Radseitenräumen in Turbomaschinen

Die gesellschaftliche Forderung einer umweltschonenden Technologie bedeutet für die Turbomaschine, eine Weiterentwicklung bzgl. der Steigerung des Wirkungsgrades. Diese Erhöhung der Effizienz ist durch eine Verbesserung des Kühlungs- und Dichtungssystems zu erreichen. Um ein Eindringen der äußeren Heißgasströmung in die konstruktiv unvermeidbaren Radseitenräume zwischen Statorringen und Rotorscheiben zu verhindern, wird kühle Luft aus dem Sekundärluftsystem der Turbine zur Dichtung verwendet. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kühleffektivität anhand von Large-Eddy Simulationen (LES) sehr gut bestimmt werden kann. Im Zusammenhang mit LES Analysen ist jedoch zu bedenken, dass diese aufgrund der Auflösung der turbulenten Skalen bis in den Inertialbereich des Turbulenzspektrums sehr rechenintensiv sind. Deshalb wird in diesem Projekt ein zonales RANS/LES Verfahren zur effizienten und detaillierten Bestimmung der instationären und dreidimensionalen Radseitenraumströmung entwickelt, mit dem das Strömungsfeld im Dichtungsspalt anhand des LES Ansatzes hochaufgelöst berechnet wird, während das Strömungsfeld außerhalb des Dichtungsspalts mit den RANS Gleichungen bestimmt wird. Dieser zonale Ansatz bedeutet, dass die Bestimmung der kleinen turbulenten Skalen auf den Dichtungsspalt konzentriert ist und die für KMU erforderliche Effizienz durch die Kopplung der LES mit dem RANS Ansatz erreicht wird.

Durch dieses Vorhaben werden die KMU als Dienstleister für den weltweiten Entwicklungsmarkt für Gasturbinen und Turbomaschinen gestärkt und zusätzlich wird eine Erweiterung des Dienstleistungs-spektrums ermöglicht. Die hohe Relevanz zeigt sich dadurch, dass der Projektantrag durch ein KMU initiiert wurde und mehre weitere KMU aktiv durch vorhabenbezogene Aufwendungen dieses Projekt unterstützen wollen.

Ergebniszusammenfassung:

Durch den Large-Eddy Simulation (LES) Ansatz kann die komplexe dreidimensionale und hochgradig instationäre Strömung im Dichtspalt des Radseitenraums abgebildet werden. Die Analyse des so bestimmten Strömungsfeldes trägt somit zu einem deutlich verbesserten Verständnis der Strömung in Radseitenräumen bei. Es wurde der Einfluss einer Sektormodellierung auf die Vorhersage des Heißgaseinzuges gezeigt. Bei bestimmten Betriebspunkten und Dichtgeometrien treten großskalige Strukturen im Radseitenraum auf, die durch die Sektormodellierung nicht abgebildet werden können.

Die zonale RANS/LES Methode reduziert das Gebiet der LES Modellierung auf für das Strömungsproblem reduzierte Bereiche und koppelt diese mit einer RANS Modellierung im restlichen Strömungsbereich und erzielt somit eine Reduzierung der Rechenzeit. Die zonale Methode wurde anhand einer ebenen Turbinengeometrie validiert. Dabei wurde eine Rechenzeitersparnis von bis zu 42% realisiert bei vergleichbarer Vorhersage der Kühleffektivität. Die Rechenzeitersparnis skaliert linear mit der Reduktion an Gitterzellen.