Simulation der Strömung in einem axialen Turbinengitter bei sub- und transsonischen Bedingungen

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation der Strömung durch ein axiales Turbinengitter bei unter- und überkritischer Expansion. Dabei werden, ausgehend von Überlegungen zum Einsatz von sog. transsonischen Turbomaschinen, die theoretischen Grundlagen zu schallnahen und Überschall-Strömungen durch Turbinengitter in Thermischen Turbomaschinen behandelt. Die Eigenschaften transitionaler Strömungen werden diskutiert und verschiedene Erscheinungsformen der Transition gelistet. Anschließend folgt eine Beschreibung der verwendeten Schaufelgeometrie, sowie der angewandten Methodik zur Modellbildung, zur numerischen Simulation und zur Analyse der Strömung durch eine rein konvergente Schaufelreihe bei sub- und transsonischen Bedingungen. Es werden Vergleiche zwischen Messungen und Rechnungen mit verschiedenen Turbulenzmodellen bzw. Transitionsmodellen angestellt. Zusätzlich dazu werden den Simulationsergebnissen eindimensionale, analytische Theorien zur Berechnung des Abströmwinkels hinter dem Gitter gegenübergestellt. Die Konturplots zur Machzahl- und Druck-Verteilung, sowie numerische Schlierenbilder, zeigen die Entwicklung des Strömungsbildes bei veränderten Randbedingungen. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und Empfehlungen für nachfolgende Arbeiten gegeben.

This thesis makes the numerical simulation of the flow in an axial turbine cascade at subsonic and transonic conditions a subject of discussion. Beginning with ideas concerning the use of so called transonic turbomachines, theoretical principles of sonic and transonic flows through turbine cascades are approached. The characteristics of transitional flows are discussed and different modes of transition are listed. A description of the used blade geometry, as well as one of the applied methodologies for modelling, for numerical simulation and for the analysis of the flow through a converging turbine nozzle at subsonic and transonic conditions is provided afterwards. Comparisons between measurements and calculations with varying turbulence models resp. models for transition are drawn. One-dimensional, analytical theories for the calculation of the flow angle downstream of the cascade are collated with the results of simulations additionally. Contour plots for Mach number and pressure distribution together with numerical Schlieren images show the evolution of the flow at different boundary conditions. As a last point conclusions and recommendations for future work are made.