Numerische Simulation der Strömung in einem Gleichdruckturbinengitter bei Überschallströmung

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation der Strömung in einem Gleichdruckturbinengitter mittels CFD. Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung des Mach-Zahl-Einflusses auf das Turbinengitter. Anfänglich wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um zu verstehen, welche Faktoren bei supersonischen Bedingungen eine wichtige Rolle spielen. Teil der Arbeit war es zusätzlich, ein simples, theoretisches Modell mittels Potentialtheorie zu entwickeln, um die Strömungsverhältnisse einfach und schnell abschätzen zu können. Bei der Geometrie handelt es sich um ein symmetrisches Gleichdruckgitter mit spitzen Kanten und einem Reaktionsgrad von Rk = 0. Die Mach-Zahl der Anströmung liegt bei den simulierten Fällen in einem Bereich von Ma1 = 0,2 bis 2. Als Strömungsmedium wird überhitzter Dampf, modelliert als ideales Gas, verwendet. Im Ergebnisteil werden die Ergebnisse aus den CFD-Simulationen und jene der Potentialtheorie miteinander, aber auch mit theoretischen und experimentellen Ergebnissen aus facheinschlägiger Literatur verglichen und bewertet. Grundsätzlich zeigt sich eine gute Übereinstimmung der CFD-Ergebnisse mit den Ergebnissen der Potentialtheorie. Da die Potentialtheorie keine viskosen Effekte berücksichtigt, kommt es zu leichten Abweichungen im Wandbereich. Die Strömungsgeschwindigkeit erreicht erstmals die Schallgeschwindigkeit bei Ma1 = 0,71. Ab einer Anström-Mach-Zahl von Ma1 = 1 nehmen Kompressibilitätseinflüsse stark an Gewicht zu, welche sich durch Verdichtungsstöße und Expansionen bemerkbar machen. Im Weiteren werden wichtige Strömungsgrößen analysiert und verglichen. Qualitativ können ähnliche Verläufe beobachtet werden. Durch die spezielle Geometrie und das Auftreten von gasdynamischen Effekten ist es schwierig, die erhaltenen Ergebnisse quantitativ zu vergleichen. Mit dieser Arbeit wurden jedoch erste Schritte gesetzt, die zur besseren Verständlichkeit der Thematik beitragen.

This thesis deals with the numerical simulation of the flow in an impulse turbine cascade using CFD. The main focus is on the investigation of the Mach number influence on the flow. Initially, a literature review was carried out to understand, which factors play an important role at supersonic conditions. Part of the work was also to develop a simple, theoretical model using the potential theory, in order to be able to estimate the flow conditions quickly and easily. The geometry is a symmetrical impulse turbine cascade with sharp edges and a degree of reaction of Rk = 0. In the simulated cases, the Mach number of the incident flow is in a range of Ma1 = 0.2 to 2. Superheated steam, modeled as an ideal gas, is used as flow medium. In the results section, the results from the CFD simulations and those from the potential theory are compared and evaluated with one another, but also with theoretical and experimental results from relevant literature. Basically, there is a good agreement of the CFD results with the results of the potential theory. Since the potential theory does not take viscous effects into account, there are slight deviations near the walls. The flow velocity reaches the speed of sound for the first time at Ma1 = 0.71. From an incident Mach number of Ma1 = 1, compressibility influences increase significantly in weight, which become noticeable through compression shocks and expansion. In addition, important flow parameters are analyzed and compared. Qualitatively, similar characteristics can be observed. Due to the special geometry and the occurrence of gas dynamic effects, it is difficult to quantitatively compare the results obtained. With this work, however, first steps have been taken that contribute to a better understanding of the topic.