Modellbildung zum Einfluss der instationären Schaufelwechselwirkung auf die Profilverluste in axialen Strömungsmaschinen

Abstract

Um den wirtschaftlichen und klimapolitischen Zielen bei der Weiterentwicklung von axialen Strömungsmaschinen Rechnung zu tragen, sind die Hersteller aufgefordert, deren Leistungsdichte zu erhöhen. Dies kann durch eine Reduzierung des Gewichts bei gleichbleibender Leistung realisiert werden. Um die höheren Verluste von hochbelasteten Schaufeln bei niedrigen Reynolds-Zahlen Re < 100.000 zu verringern, müssen die periodisch-instationären Schaufelwechselwirkungen bereits bei der Auslegung der Strömungsmaschinen berücksichtigt werden. Studien haben belegt, dass die aktuell bei der Auslegung zukünftiger Strömungsmaschinen zur Anwendung kommenden URANS-basierten Strömungslöser Defizite bei der Wiedergabe dieser Effekte aufweisen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine zum Zweck der industriellen Auslegung von zukünftigen Strömungsmaschinen mittels instationärer numerischer Strömungssimulationen neu entwickelte halb-empirische Turbulenz- und Transitionsmodellerweiterung vorgestellt, die zum einen die im verwendeten Turbulenzmodell implementierte Limitierung der Wirbelviskosität und zum anderen die im verwendeten Transitionsmodell implementierte Limitierung der Produktion des Transitionskriteriums in der Grenzschicht temporär aufhebt. Hierbei beschränkt sich der Eingriff der entwickelten Modellerweiterung auf den Zeitraum der Einflussnahme eines Nachlaufs auf die Grenzschicht. Die Identifikation des Einflusses der Nachläufe auf die Grenzschicht anhand der zeitlichen Änderung der Scherraten-Reynolds-Zahl beruht hierbei auf einem voll-lokalen, physikalischen Ansatz, der zudem das stationäre Modellverhalten nicht beeinflusst. Die in den Strömungslöser TRACE implementierte Modellerweiterung ist anhand zahlreicher Simulationen von Niederdruckturbinengittern und mehrstufigen, axialen Strömungsmaschinenkonfigurationen kalibriert und validiert.

Anhand der untersuchten Kaskadentestfälle mit stromaufwärts befindlichem Mechanismus zur Erzeugung einer instationären Zuströmung sowie einem mehrstufigen, axialen Strömungsmaschinentestfall wird die Plausibilität und die Allgemeingültigkeit der entwickelten Modellerweiterung gezeigt. So wird sichergestellt, dass die entwickelte Modellerweiterung keinen Einfluss auf stationär angeströmte Schaufelprofile nimmt und die durch eine geänderte Orientierung des Nachlaufs veränderte Einflussnahme korrekt wiedergegeben wird. Bei allen untersuchten Testfällen mit unterschiedlichen Reynolds-, Mach-, Strouhal- und Durchflusszahl-Kombinationen wird durch dieses Modellverhalten eine verbesserte Vorhersage der Nachlauf-Grenzschicht-Interaktion erzielt. Das Verhalten des neu entwickelten Modells kann als physikalisch plausibel und als für die Auslegung von zukünftigen, axialen Strömungsmaschinen mittels instationären URANS-Simulationen geeignet angesehen werden.

In order to take into account the economic and climate policy goals in the further development of axial turbomaschinery, manufacturers are asked to increase the power density of turbomachinery. This can be achieved by reducing the weight while maintaining the same performance. In order to reduce the higher losses of highly-loaded blades, especially for low Reynolds numbers Re < 100,000, the periodic-unsteady rotor-stator interactions must already be taken into account when designing turbomachinery. Studies have shown that the URANS-based flow solvers currently used in the design process of future turbomachinery show deficits in reproducing these effects. In the present work, a semi-empirical turbulence and transition model extension is presented that has been newly developed for the purpose of the industrial design of future turbomachinery by means of unsteady numerical simulations. The model temporarily removes the limitation of the eddy viscosity implemented in the turbulence model and on the other hand the model temporarily removes the limitation of the production of the transition criterion implemented in the transition model. The influence of the developed model extension is limited to the period of wake-boundary layer interaction. The identification of the influence of the wakes on the boundary layer based on the change in the shear rate Reynolds number over time is based on a fully local, physical approach that does not influence the steady state model behavior. The model extension implemented in the flow solver TRACE has been calibrated and validated on the basis of numerous simulations of low-pressure turbine cascade and multi-stage, axial turbomachine configurations. Based on the examined cascade test cases with an upstream mechanism for generating an unsteady inflow as well as a multi-stage, axial turbomachine test case, the plausibility and the general validity of the developed model extension is shown. This ensures that the developed model extension does not influence the steady state solution and that the influence of a different orientation of wakes in turbines and compressors is correctly reproduced. In all investigated test cases with different combinations of Reynolds, Mach, Strouhal number and flow coefficient, an improved prediction of the wake-boundary layer interaction is achieved through the developed model. The behavior of the newly developed model can be seen as physically plausible and as suitable for the design of future, axial turbomachinery using unsteady URANS simulations.