Einfluss verdrallter Einblasung auf die Strömung im radialen Schaufelspalt

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aspekten der Wirkungsgradverbesserung an thermischen Turbomaschinen durch Reduktion von Spaltverlusten mittels Einblasung von der Schaufelspitze in den Schaufelspalt. Dazu wird eine Drallströmung herangezogen. Unterschiedliche Methoden zur Herstellung einer Drallströmung werden diskutiert. Dabei stellt sich heraus, dass nicht alle üblicherweise zur Entwicklung von Drallströmungen eingesetzten Methoden auch für den gegebenen Fall der verdrallten Einblasung relevant sind. Es erfolgt eine analytische Modellbildung, um den Erfolg der Maßnahme a priori im Groben abschätzen zu können. Dies ist ein wichtiger Schritt, um insbesondere in frühen Entwicklungsphasen rasche und zielführende Entscheidungen treffen zu können und längere zeit- und kostenintensive Irrwege vermeiden zu können. Die analytische Modellbildung wird mittels Massenbilanz, Impulsbilanz, Bernoulligleichung, Reibungsverlustberücksichtigung und Betrachtung von Carnot'schem Stoßverlust angegeben. Weiters werden die Ergebnisse des analytischen Modells mittels einer dreidimensionalen numerischen Strömungssimulation verglichen, die im Sinne einer kartesischen Geometrie einen senkenförmigen Einlaufbereich umfasst, der von dem Schaufelspalt komplettiert wird. Diesbezügliche Berechnungen werden unter Verwendung von zwei charakteristischen Reynoldszahlen ausgeführt. Dabei erfolgen umfassende Parametervariationen, die sowohl unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten als auch unterschiedliche Einblasewinkel umfassen. Die Ergebnisse der verdrallten Zuströmung der Einblaseströmung werden sowohl mit einer nichtverdrallten Einblaseströmung als auch mit den korrespondierenden Fällen ohne Einblasung verglichen. Die Strömungssimulationen werden für einen sinnvollen Vergleich der Spaltströmung in Bezug auf ihren statischen Druckabfall mittels voller Wandauflösung durchgeführt. Dabei wird festgestellt, dass im Gegensatz zur Einblasung ohne Rotation, bei der eine Einblaserichtung entgegen der Spaltströmung vorteilhafter war, nun eine Einblasung in Richtung der Spaltströmung sinnvoller erscheint, wenn die Winkelgeschwindigkeit eine gewisse Mindeststärke überschreitet. Insbesondere im Bereich hoher Winkelgeschwindigkeiten bei Einblasung in Richtung der Spaltströmung können bedeutende Verbesserungen des Wirkungsgrades erzielt werden. Eine verdrallte Einblasung entgegen der Richtung der Spaltströmung stellt sich als kontraproduktiv heraus. Eine Einblasung normal zur Spaltströmung kann zwar durch zusätzliche Reibungserscheinungen zu einer Reduktion des Spaltmassenstromes beitragen, aber die zur Herstellung der Drallströmung erforderliche Energie nicht rechtfertigen. Der Vergleich zwischen analytischem Modell und numerischer Strömungssimulation kann in weiten relevanten Arbeitsbereichen eine zufriedenstellende Übereinstimmung erbringen, wodurch sowohl die Qualität der analytischen Modellbildung als auch der numerischen Strömungssimulation und somit auch die Wirksamkeit der verdrallten Einblasung zusätzlich abgesichert werden. Dieser Vergleich erfolgt schließlich nicht nur in Bezug auf den CD-Wert sondern auch auf den Wirkungsgrad, um einen ganzheitlichen Vergleich zu ermöglichen.

The present work considers aspects of efficiency improvement of thermal turbomachinery by reducing tip gap losses by injection from the blade tip to the blade gap. For this purpose, a swirling flow is used. Different methods for producing a swirling flow are discussed. It turns out that not all methods normally used for the development of swirling flows are also relevant for the particular case of swirling injection. An analytic modeling is used to get a rough impression of the success of the action a priori. This is an important step in order to make rapid and goal-oriented decisions, especially in early stages of development and to be able to avoid long time and cost intensive actions without success. Analytical modeling is given by mass balance, momentum balance, Bernoulli equation, friction loss account and consideration of Carnot shock loss. Furthermore, the results of the analytical model are compared by means of a three-dimensional computational fluid dynamics simulation, which includes a sink shaped inlet area in terms of a Cartesian geometry, which is completed by the tip gap area. Calculations are carried out using two characteristic Reynolds numbers. Comprehensive parameter variations, including both different angular velocities and injection angles, are carried out. The results of the swirling injection are compared with both a non swirling injection as well as with the corresponding cases without tip gap injection. For a meaningful comparison of the gap flow in relation to its static pressure drop the flow simulations are performed by full wall resolution. It is found that in contrast to the injection without swirl, in which an injection against the direction of the gap flow was more advantageous, now an injection usefully appears in the direction of the gap flow, when the angular velocity exceeds a certain minimum strength. Especially in the field of high angular velocities with injection in the direction of the gap flow significant improvements in efficiency can be achieved. A swirling injection against the direction of the gap flow turns out to be counterproductive. An injection normal to the gap flow can contribute to a reduction of the tip gap mass flow through additional friction losses, but cannot justify the energy necessary to produce the swirling flow. The comparison between the analytical model and the computational fluid dynamics simulation stays in satisfactory agreement in relevant work areas, whereby both the quality of the analytical modeling and the computational fluid dynamics simulation, and thus the efficiency of the swirling injection are additionally ensured. This comparison is carried out not only with respect to the CD value but also with respect to efficiency, to enable a holistic comparison.