ISBN 9783868535273

978-3-86853-527-3, Reihe Strömungsmechanik

David Kluß
Numerische Untersuchung des Einflusses der dreidimensionalen, instationären Turbinenabströmung auf Nabendiffusoren

199 Seiten, Dissertation Ruhr-Universität Bochum (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Zur teilweisen Rückgewinnung der kinetischen Austrittsenergie nach der letzten Turbinenstufe werden gegenwärtig konservativ ausgelegte Abgasdiffusoren eingesetzt, die zwar aus strömungsmechanischer Sicht einen sicheren Betrieb gewährleisten, aber ein erhebliches Potential an Leistungszugewinn ungenutzt lassen. Dagegen sind durch eine gekoppelte Auslegung des Turbinen-Diffusorsystems signifikante Leistungssteigerungen durchaus zu erwarten. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Erschließung detaillierter strömungsmechanischer Erkenntnisse zur effizienten Auslegung von Diffusoren unter Berücksichtigung der vor dem Diffusoreintritt herrschenden hochenergetischen Turbinenabströmungsfelder, die anhand umfangreicher numerischer Studien mit dem Strömungslöser ANSYS CFX 10.0 gewonnen wurden.

Grundlegende Vorstudien haben dazu zum einen durch stationäre sowie instationäre Simulationen experimentell untersuchter Diffusorströmungen bereits ohne den Einfluss gekoppelter Turbinen-Diffusoranlagen die Problematik der adäquaten physikalischen Abbildung durch Turbulenzmodelle unterschiedlicher Komplexität aufgezeigt. Zum anderen belegen Nachrechnungen eines durch rotierende Speichen instationär gestörten Strömungsfeldes in einem Experiment und deren stabilisierende Wirkung auf das Ablöseverhalten eines überkritisch ausgelegten Nabendiffusors, dass man diesen strömungsphysikalischen Effekt mit einer stationären Betrachtungsweise, die auf klassischen Ansätzen zur Übertragung von Randbedingungen zwischen rotierenden und stationären Schaufelreihen basiert, nicht zuverlässig abbilden kann. Erst sehr aufwändige instationäre Rechnungen mit einem erweiterten URANS-Modell, dem SAS-SST-Turbulenzmodell, erlauben das Wiederanlegen der Strömung für hohe Drehzahlen nachzurechnen. Die bei verschiedenen Drehzahlen berechneten Strömungsfelder tragen zum Verständnis der stabilisierenden Einflüsse turbinenähnlicher Abströmungsfelder auf den Diffusor bei, welche durch örtliche wandnahe Sekundärströmungsverteilungen (Wirbelstärke) und der überlagerten fluktuierenden Geschwindigkeitsschwankungen (Turbulenz und Periodizität) gekennzeichnet sind.

Die Übertragbarkeit der zur Diffusorstabilisierung beitragenden Strömungsphänomene auf realitätsnahe Turbinen-Abgassysteme wurde an einer experimentell untersuchten Hochdruck-Turbinenstufe mit dem validierten Verfahren numerisch untersucht. Die Turbinenstufe ist jeweils mit einem optimal ausgelegten sowie bei gleichem Flächenverhältnis stark geöffneten Nabendiffusor, in welchem unter isolierter Betrachtung die Diffusorströmung als Freistrahl ablöst, gekoppelt. Gegenüber der Optimalvariante zeigt das mit dem SAS-SST-Turbulenz-modell instationär berechnete tendenzielle Strömungsverhalten des überkritischen Nabendiffusors, dass sich die Diffusorströmung aufgrund der hochenergetischen Turbinenabströmung stabilisiert und der Nabendiffusor infolgedessen kompakter ausgelegt werden kann. Abschließend sind numerische Studien zur Bewertung der aus dem Leitrad abströmenden Turbulenz- und Sekundärströmungsfelder auf das Stabilitätsverhalten des ablösegefährdeten Nabendiffusors dargelegt. Als weiteres wichtiges Ergebnis wird hier gefunden, dass im Hinblick auf das real abzubildende Stabilitätsverhalten ablösegefährdeter Nabendiffusoren in Turbinen mit komplexen, dreidimensionalen Strömungsfeldern zumindest die letzte Stufe die voll instationäre Kopplung zwischen Leitrad, Laufrad und anschließendem Diffusor verlangt.