Untersuchungen zum Einfluss des Laufradspalts einer schnellläufigen Axialturbine unter Verwendung skalenauflösender Turbulenzmodelle

Abstract

Die Simulation von On- und Off-Design-Betriebspunkten von schnellläufigen axialen Propellerturbinen stellt nach wie vor eine große Herausforderung für Strömungslöser dar, da auf Grund der geringen Fallhöhe bereits kleine Fehler bei den berechneten Größen signifikanten Einfluss auf die berechneten Leistungseigenschaften der hydraulischen Maschine haben können. Im Designprozess von hydraulischen Maschinen wird zur Reduktion der benötigen Ressourcen die Komplexität des Simulationsmodells vereinfacht. Dies beinhaltet neben numerischen Vereinfachungen wie der Verwendung von umfangsmittelnden Kopplungsflächen auch geometrische Vereinfachungen. Die Laufradspalte werden hierbei häufig vernachlässigt, da neben der zusätzlichen Knotenzahl im Spalt ebenfalls hohe Anforderungen bei der automatisierten Vernetzung an die Netzgüte gestellt werden. Um ein geeignetes Simulationssetup zu ermitteln werden für zwei ausgewählte Betriebspunkte (Voll- und Teillast) unterschiedliche numerische Ansätze hinsichtlich der Ergebnisqualität überprüft. Hierbei werden für die beiden Off-Design-Betriebspunkte neben stationären Simulationen auch instationäre Ansätze mit Gitterfeinheiten von bis zu 100 Millionen Elementen betrachtet. Beim Aufbau des Simulationsmodells werden keine geometrischen Vereinfachungen vorgenommen. Dies bedeutet, dass der Laufradspalt bei allen Simulationen mit der Nominalgröße von τ = 0,3 berücksichtigt wird. Zudem wird der Einfluss des Turbulenzmodells auf die Qualität der Ergebnisse untersucht. Insgesamt werden vier Turbulenzmodelle analysiert. Diese umfassen neben dem SST-Modell, einem klassischen RANS Modell, das häufig im Designprozess von hydraulischen Maschinen angewendet wird auch drei hybride RANS-LES-Modelle. Die skalenauflösenden Modelle sind das SAS-, das SBES- und das SDES-Modell. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird eine Modellturbine konform zum IEC 60 193 Standard in den geschlossenen Versuchskreislauf im Labor des Instituts für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen installiert. In einer umfangreichen Messkampagne werden neben der Erfassung der integralen Messgrößen auch 2D-LDA-Messungen der Geschwindigkeitsprofile und deren Schwankungsgrößen an fünf Messlinien im Saugrohr durchgeführt. Außerdem stehen Wanddrucksignale an drei Messebenen im Saugrohrkonus zur Validierung der numerischen Ergebnisse zur Verfügung. Die zeitaufgelösten Signale der LDA-Messungen können durch das Triggern auf die Position des Laufrads oder auf den umlaufenden Teillastwirbelzopf in phasenaufgelöste Größen überführt werden. Unabhängig vom untersuchten Betriebspunkt zeigt sich, dass stationäre und auch instationäre Ansätze in Kombination mit dem SST-Turbulenzmodell nicht geeignet sind um eine ausreichende Ergebnisqualität zu liefern. Simulationsergebnisse im Rahmen des Schwankungsbandes der Messgenauigkeit können ab einer Gitterfeinheit von 50 Millionen Elementen unter Verwendung des SBES-Turbulenzmodells für die untersuchten Off-Design-Betriebspunkte berechnet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Wandauflösung von y+ ≤ 1 ein wichtiger Faktor ist, um das Laufraddrehmoment im Rahmen der Messgenauigkeit zu berechnen. Ausgehend von den Ergebnissen zur Ermittlung eines geeigneten Simulationsansatzes wird der Einfluss der Spaltweite auf das Strömungsfeld im Saugrohr und die Leistungsfähigkeit der Turbine mit Hilfe von instationären Simulationen mit dem skalenauflösenden SBES-Turbulenzmodell für drei Betriebspunkte (Optimum, Voll- und Teillast) untersucht. Der zunehmende Spaltvolumenstrom bei größeren Laufradspaltweiten hat je nach Betriebspunkt unterschiedliche Effekte auf das Strömungsfeld im Saugrohr und die Leistungseigenschaften der Turbine. Bereits kleine Änderungen bei der Dimension der Spaltweite können die die Funktionalität und die Leistungseigenschaften des Saugrohrs entscheidend beeinflussen. Eine Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades ist in keinem Betriebspunkt erreichbar, da die Verluste im Laufrad bei größeren Laufradspaltweiten stärker zunehmen als sie im Saugrohr abnehmen. Jedoch zeigt sich, dass es in Abhängigkeit des Betriebspunktes bzw. des Strömungsfeldes möglich ist mit ausgewählten Spaltweiten die Ablöseneigung der Strömung im Saugrohr sowie die Saugrohrverluste zu reduzieren. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Arbeit kann festgestellt werden, dass Simulationen mit skalenauflösenden Turbulenzmodellen unter Berücksichtigung der entsprechenden Kriterien hinsichtlich Wandauflösung und Gitterfeinheit in der Lage sind, den Einsatz von teuren Modelltests zu reduzieren. Ebenso hat sich gezeigt, dass in Abhängigkeit des Betriebspunktes eine Verbesserung der Saugrohrfunktionalität durch einen entsprechenden Spaltvolumenstrom erreicht werden kann.