LES and DNS of the unsteady interaction of secondary flows in turbomachnine grids

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2010 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 165216121

Die Optimierung von Turbinen und Verdichtern hinsichtlich Wirkungsgrad, Lärmentstehung, Herstellungskosten und Betriebssicherheit ist ein wichtiges Ziel, um Kosten und ökologische Auswirkungen zu reduzieren. Für die stationären Anteile der Hauptströmung wurde dies inzwischen weitgehend erreicht. Dabei werden jedoch die instationären Effekte vernachlässigt, die durch das Eintreten von Nachläufen und anderen Sekundärströmungen in den Schaufelkanal entstehen. In Verdichtern sind vor allem die Interaktionen mit dem Radialspaltwirbel von Bedeutung, da hierdurch die Strömung am Außenrand stark beeinflusst wird. In kritischen Fällen entstehen dadurch kollektive Effekte, wie ‚double leakage’ und ‚rotating stall’, die die Leistung der Maschine begrenzen. Bei Turbinen ist es möglich, durch einen ‚Shroud’ den Radialspalt zu vermeiden. Dann sind instationäre Interaktionen der Nachläufe und Hufeisenwirbel mit Haupt- und Sekundärströmung bestimmend. Allgemein stellen die Seitenwandverluste etwa ein Drittel der Gesamtverluste bei Turbinen dar und sind für Kompressoren von noch größerer Bedeutung. Ein besseres Verständnis der beteiligten komplexen Mechanismen ist unumgänglich, um das vorhandene Optimierungspotenzial zu nutzen. Hier besteht Forschungsbedarf.Ziel des Projekts ist die numerische Untersuchung der instationären Vorgänge im Bereich der Schaufelenden von Turbinen- und Verdichtergittern mit Hilfe hoch auflösender Direkter Numerischer Simulationen und Large Eddy Simulationen. So können unter genauer Kontrolle der Randbedingungen gezielt Effekte ein- und ausgeschaltet werden, um sehr detaillierte Informationen über die instationäre Interaktion von Sekundärströmungen in der Nähe der Kanalwand zu gewinnen. Dies soll im Verbund mit parallelen Experimenten und Rechnungen unter Verwendung statistischer Turbulenzmodelle in den beiden anderen Teilprojekten geschehen. Dadurch werden die Grundlagen für die Optimierung dieser Vorgänge geschaffen.

• DFG Programme: Research Grants