Entwicklung und Validierung eines Casing Treatment Modells zur aerodynamischen Auslegung von Axialverdichtern
Seiten
2010
|
1., Auflage
Sierke Verlag
978-3-86844-282-3 (ISBN)
Sierke Verlag
978-3-86844-282-3 (ISBN)
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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist eine Modellierung für Casing Treatments im Auslegungsprozess von Axialverdichtern entwickelt und in das CFD-Programm TRACE implementiert worden. Die Berechnung des bei der MTU verwendeten Casing Treatments erfordert aufgrund seiner umfangsasymmetrischen Bauform zeitaufwendige instationäre Rechenverfahren, was die Berücksichtigung eines Casing Treatments im frühen CFD-Auslegungsprozess von Axialverdichtern bislang verhindert hat. Mit Hilfe des entwickelten CT-Modells wird durch eine Eliminierung umfangsasymmetrischer Geometrieelemente die Möglichkeit geschaffen, die Auswirkung eines Casing Treatments auf die Verdichterströmung in einer stationären CFD-Simulation zu erfassen und diese somit bereits in die Auslegung eines optimalen Schaufeldesigns mit einfließen zu lassen. Eine Beschleunigung und Umlenkung, die die Strömung im realen Casing Treatment durch die darin befindlichen Zähne erfährt, wird im CT-Modell durch die Aufprägung geeigneter Quellterme in den Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie erreicht. Diese Quellterme resultieren aus einer zeitlichen Mittelung und einer anschließenden Umfangsmittelung der URANS-Gleichungen.
Anhand mehrerer Verdichterbeispiele ist das CT-Modell erfolgreich validiert worden. Sowohl die Kennlininen als auch die radialen Zuströmprofile einzelner Gitter sind für einen NDV, einen MDV und einen HDV unter Verwendung des CT-Modells realistisch berechnet worden. Die erfolgreiche Anwendung des CT-Modells bei transsonischen Verdichterströmungen ist dann begrenzt, wenn sich im Modellbereich ein Verdichtungsstoß ausbildet, und somit die Annahme eines homogenen Strömungsfeldes, die den mathematischen Mittelungsmethoden zugrunde liegt, verletzt wird. In diesem, bei dem NDV auftretenden Fall muss die Strömung im Modellbereich mit einer geeigneten Dämpfung beaufschlagt werden, um stark ausgeprägte Diskontinuitäten im Strömungsfeld zu glätten. Mit Hilfe dieser Maßnahme sind auch für den NDV zufriedenstellende Ergebnisse erzielt worden.
In den durchgeführten Validierungsrechnungen ist eine bis zu zehnfache Beschleunigung der numerischen Simulationen erreicht worden, wodurch der Einsatz des CTModells für viele Anwendungen attraktiv ist. In der vorliegenden Arbeit ist gezeigt worden, wie mit Hilfe des CT-Modells Kennlinien vervollständigt werden können, bei denen zwei Betriebspunkte instationär unter Verwendung der realen CT-Geometrie berechnet worden sind. Ein vollständiger Verzicht auf instationäre Simulationen ist zum derzeitigen Stand nicht möglich, da das CT-Modell diverse Eingabegrößen erfordert, die bislang zumindest teilweise noch instationären Berechnungen entnommen werden müssen. Der Aufbau einer umfassenden Datenbank oder die Entwicklung alternativer Verfahren, die benötigten Eingabegrößen zu ermitteln, soll langfristig instationäre Simulationen unter Verwendung der realen CT-Geometrie vollständig ablösen. Dadurch kann das CT-Modell auch verwendet werden, um in einem Optimierungsprozess die bestmöglichen geometrischen Parameter eines Casing Treatments festzulegen. Hierzu ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit bereits ein parametrischer Netzgenerator zur Erstellung eines CT-Modellnetzes entwickelt und eine beispielhafte Parameterstudie anhand des ’lean’-Winkels der CT-Zähne durchgeführt worden. Die Studie zeigt einen proportionalen Zusammenhang zwischen erhöhtem ’lean’-Winkel und einem gesteigerten Stufenwirkungsgrad sowie einem erhöhten Pumpgrenzabstand.
Weiterführende Parameterstudien können einen Beitrag dazu leisten, optimale Designregeln für ein Casing Treatment abzuleiten. Die Anwendung des CT-Modells ist dabei nicht auf die Bauform des MTU-CTs beschränkt, sondern kann aufgrund der allgemeinen mathematischen Gültigkeit des Modellierungskonzepts auf verschiedenste axial orientierte CT-Bauformen übertragen werden.
Anhand mehrerer Verdichterbeispiele ist das CT-Modell erfolgreich validiert worden. Sowohl die Kennlininen als auch die radialen Zuströmprofile einzelner Gitter sind für einen NDV, einen MDV und einen HDV unter Verwendung des CT-Modells realistisch berechnet worden. Die erfolgreiche Anwendung des CT-Modells bei transsonischen Verdichterströmungen ist dann begrenzt, wenn sich im Modellbereich ein Verdichtungsstoß ausbildet, und somit die Annahme eines homogenen Strömungsfeldes, die den mathematischen Mittelungsmethoden zugrunde liegt, verletzt wird. In diesem, bei dem NDV auftretenden Fall muss die Strömung im Modellbereich mit einer geeigneten Dämpfung beaufschlagt werden, um stark ausgeprägte Diskontinuitäten im Strömungsfeld zu glätten. Mit Hilfe dieser Maßnahme sind auch für den NDV zufriedenstellende Ergebnisse erzielt worden.
In den durchgeführten Validierungsrechnungen ist eine bis zu zehnfache Beschleunigung der numerischen Simulationen erreicht worden, wodurch der Einsatz des CTModells für viele Anwendungen attraktiv ist. In der vorliegenden Arbeit ist gezeigt worden, wie mit Hilfe des CT-Modells Kennlinien vervollständigt werden können, bei denen zwei Betriebspunkte instationär unter Verwendung der realen CT-Geometrie berechnet worden sind. Ein vollständiger Verzicht auf instationäre Simulationen ist zum derzeitigen Stand nicht möglich, da das CT-Modell diverse Eingabegrößen erfordert, die bislang zumindest teilweise noch instationären Berechnungen entnommen werden müssen. Der Aufbau einer umfassenden Datenbank oder die Entwicklung alternativer Verfahren, die benötigten Eingabegrößen zu ermitteln, soll langfristig instationäre Simulationen unter Verwendung der realen CT-Geometrie vollständig ablösen. Dadurch kann das CT-Modell auch verwendet werden, um in einem Optimierungsprozess die bestmöglichen geometrischen Parameter eines Casing Treatments festzulegen. Hierzu ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit bereits ein parametrischer Netzgenerator zur Erstellung eines CT-Modellnetzes entwickelt und eine beispielhafte Parameterstudie anhand des ’lean’-Winkels der CT-Zähne durchgeführt worden. Die Studie zeigt einen proportionalen Zusammenhang zwischen erhöhtem ’lean’-Winkel und einem gesteigerten Stufenwirkungsgrad sowie einem erhöhten Pumpgrenzabstand.
Weiterführende Parameterstudien können einen Beitrag dazu leisten, optimale Designregeln für ein Casing Treatment abzuleiten. Die Anwendung des CT-Modells ist dabei nicht auf die Bauform des MTU-CTs beschränkt, sondern kann aufgrund der allgemeinen mathematischen Gültigkeit des Modellierungskonzepts auf verschiedenste axial orientierte CT-Bauformen übertragen werden.
| Sprache | deutsch |
|---|---|
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 260 g |
| Einbandart | gebunden |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Casing Treatment • CFD • Modellierung • Navier-Stokes • Triebwerk • Verdichter |
| ISBN-10 | 3-86844-282-0 / 3868442820 |
| ISBN-13 | 978-3-86844-282-3 / 9783868442823 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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