Simulation des Strömungsverhaltens in einer Lamellendichtung mittels porösem Medium

Abstract

In den letzten Jahren entwickelte man mit der so genannten Lamellendichtung eine Technologie, die eine Weiterentwicklung zu den Bürstendichtungen darstellt. Dieser Dichtungstyp besteht aus drei wichtigen Bauteilen: den beiden Seitenplatten an der Hoch- und Niederdruckseite und der Lamellenpackung mit ihren tausenden, in einem spitzen Winkel zum Rotor angeordneten, Lamellen. Die sich ergebenden engen Lamellenzwischenraumspalten liefern einen hohen Strömungswiderstand und demzufolge einen ähnlich geringen Leckagemassenstrom wie Bürstendichtungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell einer Lamellendichtung zu entwickeln, deren Lamellenpackung als stark anisotropes Medium simuliert wird. Um die Strömung in der Lamellendichtung bei verschiedenen Druckdifferenzen mittels einem gängigen CFD-Solver berechnen zu können, wird, basierend auf den Konstruktionsparametern eines tatsächlich gebauten Lamellendichtungsprototypen, ein zweidimensionales axisymmetrisches Modell erstellt. Die für die Berechnung notwendigen viskosen Widerstandskoeffizienten werden über ein entwickeltes mathematisches Modell bestimmt. Der Leckagemassenstrom des CFD-Modells wird bis zu einer Druckdifferenz von 3 bar untersucht und anschließend mit den Messwerten des Lamellendichtungsprototypen und einer gestuften Labyrinthdichtung verglichen. Ebenso werden die Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen in der Lamellendichtung ermittelt.<br />

In the last few years a so-called leaf seal technology has been developed which represents a further improvement to brush seals. This seal consists of three main elements: the coverplates which are placed on the high-pressure and low-pressure sides of the seal (these belong to the housing) and the leaf pack with its several thousand leaf plates, which are arranged along the whole circumference and stand at an acute angle to the direction of rotating. Small gaps between the leaves provide a high flow resistance and therefore a low leakage mass flow similar to that of brush seals. This project's intention is to develop a model which is fully capable of simulating a leaf seal while treating the leaf pack as a highly anisotropic porous medium. Based on published parameters of an existing leaf seal prototype, a two-dimensional axisymmetric model has been created to simulate the flow in the leaf seal at various pressure differences using a commercial CFD-code. The required viscous resistance coefficients are determined using a developed mathematical model. The leakage mass flow of the CFD-model is observed at various pressure differences up to 3 bar. The computational results are compared to the experimental data of the existing prototype as well as that of a comparable stepped labyrinth seal. Also observed are the distributions of pressure and velocity within the leaf seal.