Wandnahe Strömung in Beschaufelungen von Turbomaschinen

Sekundärströmungen im Seitenwandbereich von Turbomaschinen sind äußerst komplexe Strömungen. Sie beeinflussen das Betriebsverhalten derartiger Maschinen, z.B. die Strömungsabrissgrenze, und damit die erzeugten Verluste ganz erheblich.

Die Sekundärströmung selbst besteht aus mehreren Komponenten, wie beispielsweise dem Hufeisenwirbel, dem Kanalwirbel und dem Radialspaltwirbel. Diese bilden ein dynamisches System, das auch mit der Hauptströmung und der Seitenwandgrenzschicht in Wechselwirkung tritt. Hinzu kommt der instationäre Nachlauf der stromaufwärts gelegenen Schaufeln, der nicht nur die Hauptströmung verändert, sondern auch die Sekundärströmung formt. In den Seitenwandbereichen von Turbinen und Verdichtern liegt somit eine hochdynamische komplexe Strömung vor. Die Dynamik ist zudem bei Betrieb abseits des Auslegungspunktes anfällig für instabiles Betriebsverhalten, Strömungsabrisse und Blockaden.

Im Allgemeinen machen die Seitenwandverluste etwa ein Drittel der Gesamtverluste von Turbinen aus und sind für Verdichter von noch größerer Bedeutung. Diese Effekte müssen daher bei der Auslegung von Turbomaschinen berücksichtigt werden und durch Simulationen vorhersagbar sein. In der Literatur gibt es zahlreiche Untersuchungen, die sich primär auf ebene Kaskaden ohne Rotation beschränken. Die Situation in rotierenden Ringkaskaden unterscheidet sich davon grundlegend. Die Unterschiede sind jedoch hinsichtlich des Einflusses der Rotation, der veränderten Geometrie und anderer, durch die Simulation bedingter  Änderungen gegenüber der Realität  nicht systematisch untersucht worden, insbesondere nicht mit turbulenzauflösenden numerischen Simulationen.

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Die Anwendung turbulenzauflösender Simulationen erlaubt außerdem, die Komplexität der Zuströmung zum untersuchten Rotor schrittweise zu erhöhen. So kann von Zylindernachläufen, die häufig zur Imitation der Interaktion von Rotor und Stator verwendet werden, zu einer realitätsnäheren Situation übergegangen werden. Dazu sollen die einzelnen Strömungskomponenten, isoliert voneinander aufgeprägt und deren Einfluss auf die Rotorströmung untersucht werden. Die einzelnen Strömungskomponenten umfassen beispielsweise den am stromauf gelegenen Stator entstehenden Radialspaltwirbel und die Eckenablösung, die instationäre Nachlaufdelle des Stators oder das grundlegende turbulente Grenzschichtprofil. Zum Erstellen beliebiger Einströmbedingungen aus mehreren Strömungskomponenten wird ein modularer Zuströmgenerator für turbulenzauflösende Simulationen im Bereich der Turbomaschinen entwickelt.

Das Hauptziel des im Rahmen des DFG Paketvorhabens PAK948 durchgeführten Projekts ist somit die Untersuchung des Verhaltens eines Axialverdichterrotors unter verschiedenen Betriebsbedingungen mit Fokus auf der Entwicklung und Untersuchung geeigneter Simulationsmethoden. Das bezieht sich auf fundamentale Fragestellungen zum Einfluss verschiedener Komplexitätsstufen des Simulationsansatzes, die Rotor-Stator Interaktion welche durch einen modularen Einströmgenerator realisiert wird und den Einfluss des Betriebspunkts. Die numerischen Studien werden durch vom Projektpartner durchgeführte Experimente ergänzt.