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Entwicklung von Modellen zur Beschreibung dreidimensionaler Einflüsse auf die zweidimensionale Meridianströmung in Turbomaschinen auf der Basis der umfangsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen


Project Details
Project duration: 04/200604/2010


Abstract
Mehrstufige Axialverdichter stellen eine wesentliche Komponente moderner Gasturbinen dar, wie sie vor allem als Antrieb in der Energietechnik oder als Strahltriebwerk in der Luftfahrt eingesetzt werden. Um Gewicht und Kosten zu reduzieren, wird durch eine Erhöhung des Stufendruckverhältnisses eine Verringerung der Stufenzahl bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad angestrebt. Für eine sichere Auslegung erfordert dies sehr genaue Strömungsmodelle, um in mehrstufigen Axialverdichtern eine optimale Abstimmung der Stufen zu gewährleisten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beim Entwurf der Meridianströmung mit der Festlegung der Geschwindigkeitsdreiecke das Wirkungsgradpotenzial und die Breite des Arbeitsbereichs schon weitgehend festgelegt werden, ohne im Detail die 3D Beschaufelungsgeometrie zu kennen.

Zur Berechnung der reibungsbehafteten Meridianströmung wird in LAWERENZ (1993) ein Verfahren erläutert, dessen Grundgleichungen aus einer Umfangsmittelung der dreidimensionalen strömungsmechanischen Bilanzgleichungen entstehen. Durch Integration der strömungsmechanischen Bilanzgleichungen in Umfangsrichtung und mit Hilfe von Mittelwerten der Strömungsgrößen kann ein zweidimensionales Gleichungssystem der repräsentativen Meridianströmung entwickelt werden. Durch diese Vorgehensweise entstehen in den
Erhaltungsgleichungen Zusatzterme, die den Einfluss der dreidimensionalen Strömung wiedergeben.

Anhand von 3D RANS Simulationen sollen Modelle zur Beschreibung der entstandenen Zusatzterme abgeleitet werden und in geeigneter Form in die numerische Berechnung der Meridianströmung integriert werden. Zur Validierung des erweiterten Verfahrens können zum einen 3D Rechnungen von Stufen mit denen der 2D Meridianströmung verglichen werden und zum anderen publizierte Messergebnisse von Turbomaschinen zum Vergleich herangezogen werden. Eine weitere Möglichkeit sind eigene experimentelle Untersuchungen am Ringgitterwindkanal des Fachgebiets Strömungsmaschinen, deren Ergebnisse für Vergleiche mit denen der zweidimensionalen Meridianströmung verwendet werden.

Last updated on 2017-11-07 at 14:29