Gekoppelte CFD-FEM Berechnung zur Ermittlung der thermischen Spannungen in einem Dampfturbinen-Innengehäuse

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer thermischen Spannungsanalyse an einem Dampfturbinen-Innengehäuse. Der Themenschwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines Berechnungsablaufs, der aus einer gekoppelten CFD-FEM Rechnung besteht (Fluid-Struktur Interaktion). Dabei wird das Temperaturfeld des Innengehäuses von der CFD Rechnung in die FEM Rechnung übergeben. Die CFD Rechnung ist eine Conjugate Heat Transfer Simulation. Im Gegensatz zu konventionellen CFD Analysen ist der Festkörper in die Rechnung integriert, wodurch sich aufgrund der Randbedingungen eine Temperaturverteilung in der Struktur einstellt. In dem untersuchten Innengehäuse befinden sich beschaufelte Kanäle, in denen Druck und Temperatur abgebaut wird. Dieser Zustandsverlauf soll, ohne Berücksichtigung der Schaufeln, mit Energiesenken in den jeweiligen Gebieten realisiert werden. Ein wesentlich geringerer Vernetzungsaufwand und eine Verringerung der Rechenzeit sind die Vorteile dieser Art der Modellierung. Die angewendeten Softwarepakete sind ANSYS CFX für die CFD Rechnung und ABAQUS für die FEM Rechnung. Für diese Kombination steht kein kommerzielles Koppeltool zu Verfügung. Deshalb wird, mit Hilfe des Custom User Export Programms für ANSYS CFX, eine manuelle Schnittstelle erstellt.<br />

This thesis is concerned with a thermal stress analysis of a steam turbine inner casing. The focus of interest lies on the development of a coupled CFD-FEM calculation process (Fluid Structure Interaction). Therefore the temperature field of the inner casing is forwarded from the CFD code to the FEM code. Instead of a conventional CFD analysis, a Conjugate Heat Transfer type is conducted in which the structure or solid is implemented in the solution process.<br />Therefore the temperature distribution in the structure can be seen as a result of the CFD analysis. The investigated inner casing is made up with blade passages resulting a temperature and pressure drop of the steam. A method is introduced to model this temperature and pressure drop with energy sinks. The geometry of the blades is neglected to minimize meshing and calculating time. ANSYS CFX for the CFD and ABAQUS for the FEM analysis is applied in this thesis. This combination is not covered by commercial coupling tools, thus an interface is created, maintained by the Custom User Export Program in ANSYS CFX.