Numerische Untersuchung instationärer Strömungsvorgänge in Turbomaschinen

Betreuer: Dipl.-Ing. Stephan Schmidt

Die jahrzehntelange intensive Forschung auf dem Gebiet der Turbomaschinen hat dazugeführt, daß Verbesserungen bezüglich Wirkungsgraden und Leistungsdichten nur mit einem immer größer werdenden Aufwand erzielt werden können. Eine ausschlaggebende Rolle spielt hierbei die enge Verzahnung von numerischen Simulationen und experimentellen Untersuchungen, die sich gegenseitig ergänzend zu einem tieferen Verständnis der Theorie der Turbomaschine führen können.

Ein besonderes Augenmerk gilt den instationären Strömungsvorgängen in Turbomaschinen, die in den letzten Jahren eine immer größere Bedeutung erlangt haben. Während in der Vergangenheit dieser Bereich der Forschung fast ausschließlich durch experimentelle Untersuchungen abgedeckt wurde, ist es durch die Leistungsfähigkeit heutiger Computersysteme möglich, die komplexe Strömung in Turbomaschinen mit immer weniger vereinfachenden Annahmen zu simulieren.

Solche Instationaritäten werden hier unter anderem durch Gitterwechselwirkungen, durch den potentialtheoretischen Einfluß stromauf und stromab liegender Gitter aufeinander sowie durch eine ungleichförmige Anströmung verursacht. Die beiden wesentlichen Phänomene, die Gegenstand heutiger Forschung auf dem Gebiet der Turbomaschinen sind, faßt man unter die Begriffe Rotor-Stator-Interaktion und Flattererscheinungen zusammen.

Da das Verhalten der Strömung durch Einzelgitter grundsätzlich verstanden ist, tritt das Zusammenspiel der einzelnen Gitterreihen immer mehr in den Blickpunkt der Forschung. So geht der Trend bei modernen Turbomaschinen zu immer schneller drehenden Maschinen mit geringeren Abständen zwischen den einzelnen Gitterreihen. In der Vergangenheit wurden Beschaufelungen konzipiert, die über einen großen Bereich der hinteren Profilhälfte einen festen Metallwinkel und damit eine definierte Abströmung besaßen. Gleichzeitig wurden große Axialabstände zwischen den Gitterreihen realisiert, um Fehlanströmungen der Folgegitter durch die Nachlaufeffekte zu minimieren. Auf solche Konstruktionsmerkmale wird heute möglichst verzichtet, weil sie wegen der großen Profillängen erhöhte Verluste in der Profilgrenzschicht hervorrufen und zu großen Baulängen der Turbomaschine führen.

Im Zuge einer Wirkungsgradverbesserung, die in der Regel mit einer größeren Leistungsdichte bei vergrößerten Strömungsquerschnitten einhergeht, spielt auch die Wechselwirkung des aerodynamischen Systems mit dem elastischen mechanischen System eine immer größere Rolle. So führen beispielsweise die hohen Stufendruckverhältnisse bei modernen Verdichterkonstruktionen zu transsonischen und supersonischen Zuströmungsgeschwindigkeiten sowie zu einer vergrößerten Strömungsumlenkung. Die daraus resultierenden schlankeren Profile sind wesentlich schwingungsanfälliger und bedürfen einer entsprechenden strukturellen Auslegung, die die von der Strömung angeregten Frequenzen dämpft.

Weitere Informationen

Druckverteilung im Mittelschnitt IDAC Verdichter [mpg-Film: 267 kByte]
Druckverteilung im Mittelschnitt IDAC Verdichter (MPG-Film)
Entropieverteilung im Mittelschnitt IDAC Verdichter [mpg-Film: 388 kByte]
Entropieverteilung im Mittelschnitt IDAC Verdichter (MPG-Film)
Entropieverteilung im Mittelschnitt ErcC6 Turbine [mpg-Film: 474 kByte]
Entropieverteilung im Mittelschnitt ErcC6 Turbine (MPG-Film)