Berechnung der Stator-Rotor-Wechselwirkung in Turbomaschinen

Abstract

Die Strömung in thermischen Turbomaschinen ist aufgrund der wechselnden Folge von ruhenden und rotierenden Schaufelreihen inhärent instationär. Zusammen mit den Einflüssen der festen Wände und den sich einstellenden physikalischen Ausgleichsprozessen ergeben sich äußerst komplexe, dreidimensionale Strömungsfelder. Moderne numerische Verfahren ermöglichen die zeitgenaue Berechnung dieser Strömungsvorgänge. Damit lassen sich instationäre Effekte bei der aerodynamischen Auslegung so berücksichtigen, daß die Effektivität der Energieumwandlung in den Turbomaschinen gesteigert wird.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Lösung der dreidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen erweitert, um damit die instationären Stator-Rotor-Wechselwirkungen in Turbomaschinen zu berechnen. Dazu wird ein Verfahren zur zeitgenauen Kopplung der Strömungsfelder relativ zueinander bewegter Rechengebietsbereiche entwickelt. Mit Hilfe einer geeigneten Zeittransformation werden periodische Randbedingungen ermöglicht. Hierdurch läßt sich das wirkliche Schaufelzahlverhältnis einer Turbomaschinenstufe ohne eine periodische Erweiterung des Rechengebiets berücksichtigen. Es werden verschiedene Methoden entwickelt, die die langen Rechenzeiten zeitgenauer, expliziter Integrationsverfahren drastisch reduzieren und effiziente instationäre Simulationen ermöglichen.

Das entwickelte Verfahren wird zur Strömungssimulation in einer eineinhalbstufigen Axialturbine eingesetzt. Die berechneten Strömungsfelder werden analysiert. Identifizierte Strömungsphänomene werden visualisiert und dokumentiert. Die Eignung des entwickelten Verfahrens zur Lösung der gestellten Aufgabe wird durch einen Vergleich der Berechnungsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten belegt.

Fluid flow through thermal turbomachines is inherently unsteady due to the succession of stationary and rotating blade rows. Together with the influences of solid walls and rising physical equalization processes, extremely complex, threedimensional flow fields are formed. Modern numerical methods allow a time-accurate simulation of those flow effects. In this way, unsteady flow phenomena can be taken into account in the aerodynamic design process in order to further increase the efficiency of energy conversion in turbomachines.

This report describes the modifications to a threedimensional Navier-Stokes solver to enable the simulation of unsteady stator/rotor interaction in turbomachines. A method for the time-accurate coupling of the flow fields in relative moving blade rows is developped. A time transformation allows the use of periodic boundary conditions. In this way, the real blade count ratio of a turbomachine stage is modelled without a periodic extension of the computational domain. In order to enable efficient unsteady simulations, several acceleration techniques which lead to a drastic reduction of the long computation times of explicit, time-accurate integration methods are investigated.

The numerical method is used to simulate the flow through a 1.5-stage axial flow turbine. The calculated flow field solution is analysed. Identified flow phenomena are visualized and described. A comparison of the numerical results with experimental data shows the qualification of the method to predict unsteady stator/rotor interaction effects in turbomachines.