Korrelation deterministischer Strömungsphänomene in Labyrinthdichtungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Lars Wein
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545690683

In Vorarbeiten des Antragstellers wurden mittels LES einer Labyrinthdichtung deterministische Strukturen, d.h. periodisch instationäre Wirbelablösungen an den Dichtspitzen und Grenzschichtstrukturen am rotierenden Deckband identifiziert. Die periodisch instationären Wirbelablösungen führen zu aeroakustischen Emissionen und strukturdynamischen Schwingungen, die in der Vergangenheit bereits zu Schäden und Totalausfällen von Turbomaschinen geführt haben. Die Grenzschichtstrukturen und so genannte Streaks, definieren den Produktionsbereich im turbulenten Energiedichtespektrum und damit maßgeblich die Anforderungen an die räumliche Diskretisierung des numerischen Modells. Eine falsche Berechnung der Streaks in Folge zu grober Vernetzung oder zu kleiner Rechengebiete führt zu geringeren Umfangsgeschwindigkeiten der Strömung. Dies hat einen direkten Einfluss auf die numerische Vorhersage der mischungsbedingten aerodynamischen Verluste zwischen Kernstrom und Leckageströmung in Turbomaschinen, welche maßgeblich von der Abweichung beider Geschwindigkeitsdreiecke abhängen. Selbst bei einer Reduzierung des Problems auf eine Taylor-Couette-Strömung zeigen industriell einsetzbare und auf der Reynolds-Mittelung basierende Modellierungsansätze teils erhebliche Defizite bei der Vorhersage der so genannten Schleppwirkung des rotierenden Zylinders, weswegen verbesserte Modelle entwickelt werden müssen. Ziel des Vorhabens ist es daher, ein besseres Verständnis der deterministischen Strukturen zu erarbeiten, die Eigenschaften der Strukturen durch Korrelationen abzubilden und damit vorhersagen zu können. Dies ist die Grundlage für eine nachfolgende Entwicklung von sichereren und effizienteren Turbomaschinen. Zur Ermittlung der Korrelationen werden simplifizierte Testfälle definiert und mit einem numerischen Verfahren höherer Ordnung Grobstruktursimulation durchgeführt. Hierzu zählen eine Taylor-Couette Strömung, eine generische Wirbelkammer und eine generische Austrittskavität. Durch Parameterstudien werden die relevanten geometrischen und aerodynamischen Randbedingungen identifiziert, die die Abmessungen und die Frequenz der deterministischen Strukturen definieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen