Einfluss der Rotation auf die Wirksamkeit der Einblasung in axialen Turbinenbeschaufelungen

Abstract

Bei axialen Strömungsmaschinen ist zwischen den rotierenden Bauteilen und dem Gehäuse ein Radialspalt vorgesehen. Der Spalt soll ein Anstreifen der rotierenden Bauteile am Gehäuse verhindern und so die Betriebssicherheit der Maschine gewährleisten. Durch die anliegende Druckdifferenz an den Schaufeln, stellt sich ein Massenstrom durch den Radialspalt ein, welcher die sogenannten Spaltverluste in der Maschine verursacht. Bei der passiven Einblasungsmethode wird ein Teil des Gesamtmassenstroms der Gasturbine abgezweigt und in den Spalt eingeblasen um eine Reduktion des Spaltmassenstroms herbeizuführen. Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Simulation der kompressiblen, turbulenten Strömung durch einen rotierenden Einblasungskanal in einer ungekühlten Turbinenschaufel. Das gesetzte Ziel ist es, den Einfluss der Rotation auf die Einblasung in den Radialspalt sichtbar zu machen. Dazu werden die Strömungsbilder und die Verluste im Kanal ausgewertet. Durch die Untersuchung des Einflusses der dimensionslosen Einblasegeschwindigkeit auf den Spaltmassenstrom und die analytische Betrachtung des Einflusses der Rotation auf die dimensionslose Einblasegeschwindigkeit, werden die Auswirkungen der Rotation auf den Spaltmassenstrom untersucht. Die theoretischen Grundlagen des Spaltmodells werden in diesem Zusammenhang erklärt. Vorbereitend auf die numerische Simulation werden die Erhaltungsgleichungen erläutert und zwei Turbulenzmodelle behandelt. An einer realen Turbinenschaufelgeometrie werden mit Hilfe des CAD-Programms Solidworks geeignete Bohrungspositionen gesucht, und der Zuleitungskanal über Bohrungen realisiert. Um den Einfluss der Bohrungsgröße auf die Einblasung zu untersuchen, werden zwei Kanalmodelle mit unterschiedlichen Querschnitten erstellt. Ein vereinfachtes Modell der erstellten Zuleitungskanäle wird in ANSYS ICEM CFD 14.5 vernetzt. Die erstellten Netze werden in ANSYS FLUENT 14 zur numerischen Strömungssimulation verwendet. Schließlich werden die numerischen Ergebnisse ausgewertet und grafisch dargestellt.

Between the rotating parts and the casing of axial turbomachines exists a radial gap. This gap prevents the rotating parts from brushing against the casing and therefore guarantees the reliability of the machine. The pressure difference at the blades leads to a massflow through the radial gap which causes the so called tip leakage losses in the machine. The passive tip injection method branches a part of the complete massflow of the gasturbine and injects it into the tip gap to reduce the tip gap massflow. This thesis copes with the numerical simulation of the compressible, turbulent flow through a rotating injection channel in an uncooled turbine blade. The goal of this thesis is to identify the influence of the rotation on the injection into the tip gap. For this purpose the pictures of the flow and the losses in the channel will be analyzed. The effect of the rotation on the tip gap massflow is being examined by the investigation of the influence of the dimensionless injection velocity on the tip gap massflow and the analytical observation of the influence of the rotation on the dimensionless injection velocity. The theoretical basis of the tip gap model will be explained in this context. As a preparation for the numerical simulation, the equations of conservation will be explained and two turbulence models will be discussed. On a real turbine blade geometry eligible drilling positions will be searched using the aid of the CAD software SolidWorks, and the injection channel will be constructed using boreholes. To see the impact of the borehole size on the injection, two channel models with varying profiles will be built. A simplified model of the injection channels will be meshed in ANSYS ICEM CFD 14.5. The meshes will be used for the numerical flow simulation in ANSYS FLUENT 14. Finally the numerical results will be analyzed and graphically depicted.