Home  | Impressum | Sitemap | KIT

Numerische Untersuchung der Interaktion zwischen Hauptströmung und Sperrluft innerhalb einer Niderdruckturbine

Numerische Untersuchung der Interaktion zwischen Hauptströmung und Sperrluft innerhalb einer Niderdruckturbine
Tagung:

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2010

Tagungsort:

Hamburg

Datum:

31.08. - 02.09.2010

Autoren:

Kurz, W.
Schuler, P.
Dullenkopf, K.
Bauer, H.-J.

Zusammenfassung

Das Sekundärluftsystem in modernen Flugtriebwerken stellt Verdichterluft sowohl als Kühlluft für thermisch hoch beanspruchte Bauteile als auch als Sperrluft zur Abdichtung unterschiedlicher Komponenten bereit. Der Sperrluftausblasung durch den konstruktionsbedingten Spalt zwischen Leitrad und Laufradscheibe kommt aufgrund steigender Turbineneintrittstemperaturen auch in der Niederdruckturbine eine steigende Bedeutung zu. Die Sperrluft soll verhindern, dass das Heißgas der Hauptströmung ins Innere der Maschine gelangt. Dabei ist im Sinne einer Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung des Gesamttriebwerksystems eine gute Dichtwirkung bei geringem Sperrluftmassenstrom ebenso anzustreben wie eine möglichst verlustarme Vermischung der Sperrluft mit der Hauptströmung. Um die Interaktion der Sperrluft mit der Hauptströmung besser zu verstehen, wurde eine numerische Untersuchung für zwei Spaltkonfigurationen durchgeführt.

Die numerische Untersuchung umfasst eine ebene Schaufelpassage mit periodischen Rändern und einem sich unmittelbar stromauf des Staupunktes befindlichen Spalt. Die Schaufelgeometrie entspricht einer typischen Niederdruckturbinenlaufschaufel. Ein einfacher axialer Spalt und ein Verbunddichtspalt mit gegenseitiger Überlappung repräsentieren typische Spaltkonfigurationen und wurden daher für die Untersuchung des Geometrieeinflusses gewählt. Ein modularer Aufbau des hexahedrischen Rechengitters ermöglicht einen flexiblen Austausch der Dichtspaltkonfigurationen und schließt den Einfluss eines geänderten Schaufelpassagengitters aus.

Die stationären Berechnungen wurden mit Hilfe des kommerziellen RANS-Lösers CFX 11 durchgeführt. Der Sperrluftmassenstrom wurde mit einer Umfangskomponente versehen und sein Anteil zwischen 0 und 1 % des Hauptmassenstroms variiert. Eine zunächst vorgenommene Rechnung einer Schaufelumströmung ohne Spalt dient der Validierung des Rechenmodells und liefert gleichzeitig den Referenzfall für die Fälle mit Dichtspalt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen den Zusammenhang zwischen Sperrluftmassenstrom und aerodynamischen Verlusten, die durch den Totaldruckverlustkoeffizienten ausgedrückt werden. Mit Hilfe geeigneter Visualisierungstechniken konnten Veränderungen in den typischen Wirbelstrukturen und der Grenzschichtdicke innerhalb der Schaufelpassage nachgewiesen werden. Diese Effekte resultieren im Fall des Axialspalts in einer schlechteren Sperrwirkung und in höheren Totaldruckverlusten. Allerdings wird die Bildung des Hufeisenwirbels am Staupunkt unterbunden. Die Verbundspaltgeometrie zeigt dagegen deutliche Vorteile bezüglich des Sperrverhaltens und des Totaldruck-verlustes. Die Grenzschicht wird weniger angehoben, die Interaktion der Sperrluft mit der Hauptströmung fällt geringer aus. Die gewonnenen Erkenntnisse können in ein optimiertes Dichtspaltdesign zukünftiger Triebwerke einfließen.