Numerische Berechnung der Strömung in axialen Verzögerungsgittern aus unprofilierten Schaufeln

Abstract

Der lineare Schaufelgitterwindkanal des Institutes für Energietechnik und Thermodynamik wird über einen meridianbeschleunigten Axialventilator mit Luft versorgt. Ziel der Diplomarbeit war es die Gittercharakteristiken der verbauten Beschaufelung mittels numerischer Strömungssimulation in ausgewählten Schaufelschnitten zu bestimmen. Das Hauptaugenmerk lag zusätzlich auf der Bestimmung des Einflusses der Meridianbeschleunigung auf die Gittercharakteristik der Laufradbeschaufelung. Die Modellierung und Berechnung erfolgte mit der kommerziellen Software (Icem-CFD und Fluent~14.5). Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Zunahme der Meridiangeschwindigkeit starken Einfluss auf den Verlauf der Gittercharakteristik eines Schaufelgitters hat. Bei gleicher Geometrie verschiebt diese den Punkt des Verlustminimums in Richtung kleinerer Anströmwinkel. Die Umlenkung durch das Gitter nimmt im gesamten Anströmbereich zu. Die Profildruckverteilung wird zu geringeren Werten verschoben und die statische Druckumsetzung nimmt ab. Der Einflussbereich der Nachlaufdelle bildet sich schmaler aus, die Wandschubspannungen auf der Schaufel nehmen zu. Beides lässt auf die Bildung einer dünneren Profilgrenzschicht schließen. Der Bereich auftretender Verluste wird über der Teilung gesehen zwar schmaler, die maximal auftretenden Verlustbeiwerte nehmen jedoch zu. Im Vergleich mit bisherigen Annahmen erweisen sich die ermittelten Verlustbeiwerte sowohl für das Lauf- als auch für das Leitgitter als kleiner als bisher angenommen. Auch die Empfindlichkeit des Abströmwinkels in Bezug auf die Anströmung fällt weniger stark ausgeprägt aus. In jüngster Vergangenheit wurde, basierend auf der Betrachtung von Geschwindigkeitsdreiecken, eine theoretische Begründung der Lage von Axialventilatoren im CORDIER-Diagramm veröffentlicht. Aufbauend auf diesen Betrachtungen wurde der meridianbeschleunigte Axialventilator im CORDIER-Diagramm eingeordnet. Es zeigt sich, dass die meridianbeschleunigten Axialventilatoren den Betriebsbereich von Standardventilatoren in Richtung zunehmender Durchmesser- und absinkender Laufzahlen erweitern.

The Institute for Energy Systems and Thermodynamics possesses a linear cascade wind tunnel which is supplied with air by an axial fan. The aim of this thesis was to determine the unknown cascade characteristics of that fan. A cascade characteristic describes the change in total pressure loss coefficient and cascade turning angle with changing inlet angles. Due to the fan design the axial velocity density ratio (AVDR) rises between the impeller inlet and the outlet (AVDR>1). Therefore the second aim was to investigate the effect of this change on the cascade characteristic. Commercial Software (Icem-CFD and Fluent~14.5) was used to perform the calculations. The calculations yield to the result that compared to a standard cascade with AVDR=1 the changing axial velocity density ratio has a strongly impact on the cascade characteristic. The turning angle is increased while the point of minimal total pressure loss is shifted to smaller inlet angles. The pressure distribution of the profile is shifted to smaller values leading to a smaller static pressure rise at the trailing edge. The development of the profile boundary layer thickness is reduced accompanied by a rising wall shear stress. The calculated loss coefficients of the impeller wheel as well as of the guide wheel are smaller as expected in previous assumptions. Also the change of the outflow angle proves to be less depending on the inlet angle. \newline In addition the position of axial fans with AVDR>1 is classified in the CORDIER-Diagram due to the analysis of velocity triangles. It can be shown that an increasing AVDR shifts the operation range of axial fans to smaller speed and higher diameter numbers compared to standard axial fans.