Wandnahe Strömung in Beschaufelungen von Turbomaschinen

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

Die Sekundärströmung selbst besteht aus mehreren Komponenten, wie z.B. dem Hufeisenwirbel, dem Kanalwirbel und eventuell dem Spitzenspaltwirbel. Diese interagieren miteinander und bilden ein dynamisches System, das auch mit der Hauptströmung und der Grenzschicht interagiert. Hinzu kommt der instationäre Nachlauf der stromaufwärts gerichteten 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.

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 z.B. zum Radialspaltwirbel, die sich aber primär auf ebene Kaskaden ohne Rotation beschränken. Die Situation in rotierenden Ringkaskaden unterscheidet sich davon und ist hinsichtlich des Einflusses der Rotation auf dieses Merkmal nicht ausreichend untersucht worden, insbesondere nicht mit turbulenzauflösenden numerischen Simulationen. 

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Der aktuelle Industriestandard für die Simulation von Turbomaschinen sind Zwei-Gleichungen Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS) Modelle oder instationäre RANS (URANS) Methoden. Es ist daher schwierig, stark anisotrope Turbulenzen, großräumige Wirbelstrukturen und Übergangseffekte zuverlässig vorherzusagen. Einzelne Large-Eddy-Simulationen (LES) von Turbomaschinenströmungen haben den grundsätzlichen Vorteil von turbulenzauflösenden Ansätzen bewiesen, erzielen aber nicht immer das bestmögliche Ergebnis. Der Hauptgrund ist die Komplexität solcher Strömungen, z.B. durch Transitionsphänomene, sowie unzureichende Teilmodelle. Bis heute gibt es nur wenige Aktivitäten, die über die Anwendung der grundlegendsten Modelle hinausgehen. Es besteht daher ein großer Bedarf an verbesserten Methoden zur Auflösung von Turbulenzen mit gut an den Turbomaschinensektor angepassten Submodellen.

Mit Blick auf die Zukunft werden steigende Rechenkapazitäten die Anwendung turbulenzauflösender Simulations-Modelle wie LES auch im einen industriellen Kontext ermöglichen. Dafür müssen diese Methoden jedoch weiterentwickelt und validiert werden, um Transitionsphänomene und Situationen mit niedrigerer Reynoldszahl behandeln zu können.

Auf diesemHintergrund hat das Projekt zwei Hauptziele. Zum einen soll die Physik der Sekundärströmungen in einer rotierenden Kaskade untersucht und mit der einer linearen Kaskade verglichen werden. Das zweite Ziel ist die Entwicklung einer zuverlässigen Simulationsmethode im Rahmen der LES für Turbomaschinenkaskaden. Beide Aufgaben konzentrieren sich auf die Strömungen durch einen Verdichter. Die Arbeiten in dem hier beschriebenen numerischen Projekt finden im Rahmen des DFG-geförderten Paketantrags PAK948 statt, wobei die anderen Partner experimentelle Messungen und weitere Simulationen mit RANS/URANS durchführen.