Numerische Simulation der Strömung in der Beschaufelung einer Luftturbine

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Simulation der inkompressiblen, turbulenten, ebenen Strömung in den Gittern einer axialen Kaltluftturbine einer. Das Ziel ist die Berechnung der Einzelgittercharakteristiken der Leit- und Laufreihe. Genauer gesagt handelt es sich hierbei um den Abströmwinkel und den Totaldruckverlustbeiwert in Abhängigkeit des Zuströmwinkels. Des Weiteren werden die Nachlaufdelle und die statische Druckverteilung untersucht. Die anschließende Stufensimulation nach dem Mischungsebenenansatz dient der Ermittlung der Turbinenkennlinie und des Wirkungsgrades. Aufgrund fehlender Messergebnisse werden zumindest die numerisch ermittelten Verlustbeiwerte des Leit- und Laufgitters anhand einer analytischen Stufennachrechnung beziehungsweise Verlustberechnung verifiziert. In diesem Zusammenhang sind die theoretischen Grundlagen axialer Turbinenstufen und die Behandlung auftretender Verlustquellen kurz zusammengefasst. Eine bündige Darstellung der Modellierung turbulenter Strömungen mit Hauptaugenmerk auf die Grenzschichtbehandlung liegt ebenfalls vor. Die vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen sind angegeben, die die Basis für das verwendete CFD-Programm ANSYS FLUENT bilden. Die Funktionsweise einiger Turbulenzmodelle wird behandelt, vor allem des zur Modellierung der Grenzschicht und Turbulenzen eingesetzten Menter-modifizierten k-w-SST-Modells. Die Schaufelmodelle werden anhand vorliegender Datenblätter erstellt. Das verwendete Umströmgitter wird mit dem Programm ICEM CFD vernetzt. Die verwendete Netztopologie, aber vor allem die Randbedingungen werden näher erläutert. Ebenso sind die in ANSYS FLUENT durchgeführten Einstellungen vermerkt. Schlussendlich findet eine grafische Darstellung und Auswertung der numerischen Ergebnisse statt. Zur höheren Übersichtlichkeit werden das Leit- und Laufgitter nacheinander behandelt. Ebenso wird auf die Auswertung der Turbinenkennlinie und Ermittlung des Stufenwirkungsgrades näher eingegangen. Für Leit- und Laufgitter werden Berechnungen der Gittercharakteristiken und Verlustbeiwerte jeweils an der Schaufelnabe, in der Schaufelmitte und an der Schaufelspitze ausgeführt.

This master thesis deals with the numerical simulation of incompressible, turbulent, two-dimensional flow in the cascades of an axial air turbine. The goal is to calculate the individual characteristics of the guide row and rotor row. More specifically, these are the exit flow angle and the total pressure coefficient depending on the inlet flow angle. Further are the wake and the static pressure distribution examined. The numerical simulation of the turbine stage based on the Mixing-Plane-Method is used to determine the characteristic curve of turbine and the stage efficiency. Due to lack of measurement results at least the numerically determined loss coefficients of the stator and rotor grid are verified with an analytical loss calculation. In this context, the theoretical foundations of axial turbine stages and the treatment occurring loss sources are summarized. A presentation of the modeling of turbulent flows with a focus on the boundary layer treatment is also available. The full Navier-Stokes equations are given, which form the basis for using CFD program ANSYS FLUENT. The essentials of some turbulence models are discussed, especially the Menter-modified k-w-SST model which is used to model the boundary layer and turbulence. The stator and rotor blades are created from existing data sheets. The calculation grid is meshed with the ICEM CFD program. The mesh topology, but most of all the boundary conditions are explained in detail. Those in ANSYS FLUENT implemented settings are also noted. Finally, there will be a graphical representation and analysis of the numerical results. For greater clarity, the stator and rotor simulations are treated separately. Also, a further reflection of the evaluation of the characteristic turbine curve and the stage efficiency is given. The calculations of the cascade characteristics and loss coefficients are carried out respectively at the blade hub, in the blade middle and at the blade tip.