ISBN 978-3-8439-2139-8

978-3-8439-2139-8, Reihe Ingenieurwissenschaften

Michael Rabs
Numerische Untersuchung des Einflusses von Strömungsinstabilitäten auf den Heißgaseinzug in Gasturbinen-Kavitäten unter Verwendung optimierter Rechenmodelle

200 Seiten, Dissertation Universität Duisburg-Essen (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der Einzug heißen Gases in die konstruktiv bedingten Radseitenräume zwischen Rotor und Stator wird mit gezieltem Einleiten von Sperrluft verhindert. Hier ist es wichtig, die Strömungscharakteristik im Spaltbereich zwischen Rotor und Stator zu kennen, um eine genaue Vorhersage des notwendigen Sperrluftbedarfs machen zu können.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Entwicklungszeiten zur Auslegung des Kühlluftsystems zu verringern, sowie die Qualität der Berechnungen für ein Teilsystem, den an den Hauptstrompfad der Turbine angrenzenden Radseitenraum, zu erhöhen. Dies wurde dadurch erreicht, dass optimierte Rechenmodelle verwendet und analysiert, sowie die komplexe Strömungsstruktur im Radseitenraum im Hinblick auf Strömungsinstabilitäten untersucht wurden.

Die Basis der optimierten Rechenmodelle bildet eine Validierung des numerischen Verfahrens anhand zweier Prüfstände. Ausgehend von einem Vollkreismodell wurden sukzessive Modellvereinfachungen durchgeführt. Mit der Angabe der Rechenzeitreduktion und der resultierenden Ungenauigkeit konnte so eine Datenbasis erschaffen werden, die es erlaubt je nach Entwicklungsstand der Auslegung das passende Rechenmodell zu verwenden. Des Weiteren wurde ein hybrider Ansatz abgeleitet, der aus einer Kombination von dreidimensionalen numerischen Modellen und einer eindimensionalen Berechnungsmethode besteht.

Aufgrund der hohen Auflösungsgüte bei dreidimensionalen numerischen Methoden konnten Strömungsinstabilitäten berechnet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Kelvin-Helmholtz Instabilität einen Heißgaseinzug dämpfenden Charakter besitzt. Sie bildet sich im Spaltbereich ausschließlich nach Leitschaufelreihen. Die drallbehaftete Hauptströmung bildet zusammen mit der drallbehafteten Sperrluft eine Scherschicht aus, aus der Kelvin-Helmholtz Instabilitäten hervor treten können. Es wurden Parameterstudien anhand eines Splittermodells und eines Kavitätenmodells durchgeführt mit Hilfe derer dimensionslose Kennzahlen zur Beschreibung der Wirbelcharakteristik abgeleitet wurden.

Großskalige Strömungsinstabilitäten, die sich im Radseitenraum eines Turbinenprüfstands bei Unterschreitung eines entsprechenden Kühlluftmassenstroms bilden, verstärken wiederum den Heißgaseinzug. Es wurde erstmalig der Entstehungsprozess offen gelegt, so dass Gasturbinendesigner dies entsprechend bei der Auslegung des Kühlluftsystems, mit dem Ziel der Vermeidung solcher großskaligen Strömungsinstabilitäten, berücksichtigen können.