Large-eddy simulations of turbine wheel space flows

Hösgen, Thomas; Jeschke, Peter; Schröder, Wolfgang

doi:43536

Large-eddy simulations of turbine wheel space flows = Grobstruktursimulationen der Radseitenraumströmung in Turbinen

Hösgen, Thomas^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Hösgen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-08-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08249
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992547/files/992547.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel dieser Arbeit ist es das Verständnis von Radseitenraumströmungen zu erhöhen. Die Temperatur der Hauptströmung von Turbinen übersteigt die Schmelzpunkte der verwendeten Materialien. Diese Hauptströmung dringt in die Radseitenräume ein, wodurch die Bauteilbelastung in diesen steigt. Um diesen Einzug zu reduzieren, wird Sperrluft aus dem Sekundärluftsystem der Turbine in die Radseitenräume eingeleitet. Die Sperrluft erhöht den Druck in den Radseitenräumen und bildet in den Ringdichtungen eine Gegenströmung aus. Die Ringdichtungen trennen den Radseitenraum von dem Hauptströmungskanal. Das Abzweigen der Sekundärluft reduziert jedoch den Gesamtwirkungsgrad, weshalb die Menge der Sperrluft minimiert werden soll. Dafür werden optimierte Ringdichtungen benötigt. In früheren Untersuchungen wurden bei geringen Sperrluftmassenströmen instationäre Strömungsstrukturen beobachtet, die durch die Interaktion der Hauptströmung und der Sperrluft angeregt werden. Die Ursachen dieser Strukturen müssen zunächst verstanden werden bevor die Ringdichtungen verbessert werden können. Um das Verständnis über das hoch komplexe Strömungsfeld über den heutigen Kenntnisstand hinaus zu erhöhen, sind skalenauflösende Methoden notwendig. In dieser Arbeit wird die Strömung in zwei Axialturbinen mittels Grobstruktursimulation untersucht. In der verwendeten numerischen Methode werden die instationären, kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen auf einem hierarchischen kartesischen Gitter gelöst. Die Stator- und die Rotorgeometrie werden anhand einer kombinierten level-set/cut-cell Methode dargestellt. Dadurch werden die Simulationen im Absolutsystem durchgeführt, was für die Durchführung von Strömungssimulationen mit bewegten Körpern vorteilhaft ist. Zur Reduktion der Rechenkosten von numerischen Untersuchungen von Turbinenströmungen wird häufig die Symmetrie der Strömungsfelder aller Schaufelpassagen angenommen, sodass auf Sektormodelle zurückgegriffen werden kann. Um die Auswirkungen dieser Annahme auf die Genauigkeit der Vorhersage der Strömung in Radseitenräumen zu quantifizieren, wird ein Konzept einer azimutal periodischen Randbedingung für kartesische Gitter, die die level-set/cut-cell Methode berücksichtigt, vorgestellt und validiert. In dieser Arbeit wird eine einstufige und eine 1,5-stufige Turbine untersucht. In beiden Turbinen liegt die Temperatur der Hauptströmung deutlich unterhalb der in realen Anwendungsfällen. In der einstufigen Turbine wird das Strömungsfeld für zwei Sperrluftmassenströme analysiert. Im Fall mit dem geringeren Sperrluftmassenstrom werden stehende akustische Wellen angeregt. Nach dem Vergleich der Strömungsfelder werden für den Fall mit dem geringeren Sperrluftmassenstrom Modalanalysen durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Fluktuationen und Einzug zu bestimmen. Für die 1,5-stufige Turbine wird das Strömungsfeld im stromaufliegenden und im stromabliegenden Radseitenraum anhand einer 360 Grad Simulation und einer 22,5 Grad Simulation untersucht. Die Limitierungen des Sektormodells zur Vorhersage des Einzugs werden dargelegt.

The objective of this thesis is to increase the understanding of the complex flow inherent in turbine wheel spaces. In turbomachinery the temperature of the gas in the main annulus exceeds the melting points of the turbine materials. This main annulus gas enters the wheel spaces which increases the wear and thereby decreases the turbine life time. To reduce the ingress of main annulus gas, sealing air, extracted from the turbine’s secondary air system, is introduced into the wheel spaces. The sealing air pressurizes the wheel space and forms a counter flow in the rim seal gap which separates the wheel space from the main annulus. Since the usage of the sealing air reduces the overall efficiency of the turbines, it is desired to minimize the sealing air mass flux. This is achieved by designing optimized rim seal geometries. Previous investigations, however, showed that especially at low sealing air mass flowrates unsteady flow structures are excited by the interaction of the sealing air with the main annulus gas. Therefore, the design of more efficient rim seals requires a better understanding of the complex flow structures occurring inside the rim seal gaps and the wheel spaces. To increase the understanding of these intricate flow features beyond the state-of-the-art, scale resolving methods are necessary. In this thesis, large-eddy simulation is used to investigate the flow in the wheel spaces of two axial flow turbines. The applied finite-volume method solves the unsteady, compressible Navier-Stokes equations on a hierarchical Cartesian mesh. To accurately represent the stator and rotor geometries on the Cartesian mesh a combined level-set/cut-cell approach is applied. Therefore, the simulations are performed in a single frame of reference, which is beneficial for flow problems with embedded moving bodies with different relative movement. To reduce the computational cost in the numerical analysis of turbine flows, it is common to assume rotational symmetry of all blade passages and apply azimuthal periodicity such that only a small number of blade passages is considered in the computational domains. To investigate the impact of that approach on the accuracy of simulations of the flow in the wheel spaces, a concept for azimuthal periodicity on Cartesian grids which conforms with the level-set/cut-cell approach is presented and validated. A single-stage and a 1.5-stage axial flow turbine are investigated. Both setups are based on cold test rigs in which the main annulus gas temperatures are significantly lower than in real turbine applications. For the single-stage turbine, the results for two sealing air mass flow rates are compared. In the case with the lower sealing air mass flow rate standing acoustic waves are excited in the single wheel space. The comparison of the flow fields for the different sealing air mass flow rates is followed by a modal analysis to determine the relation between the fluctuations and the ingress of main annulus gas. For the 1.5-stage turbine, the flow fields in the upstream and the downstream wheel spaces of a 360 degree and a 22.5 degree setup are compared and the limitations of the 22.5 degree setup for the prediction of the main annulus gas ingress are shown.

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