Grundlegende Untersuchungen zum Verhalten der Schaufelumströmung eines axialen Turboverdichters bei Wassereindüsung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um Verluste und Schädigungen durch die Wassereinspritzung in Gasturbinenverdichter zu minimieren und deren Potenziale langfristig ausschöpfen zu können, verfolgten die Antragsteller den Ansatz, ein numerisches Arbeitswerkzeug bereitzustellen, welches die akkurate Abbildung der Interaktion zwischen Flüssigkeit, Gasströmung und Beschaufelung erlaubt. Experimentelle Beobachtungen an einem transsonischen Gitterwindkanal ergaben folgende Phänomene als besonders relevant für die vorliegende Fragestellung: a) Tropfenaufprall auf die Schaufeloberfläche; b) Ausbildung und Bewegung des Flüssigkeitsfilms entlang der Schaufeln; c) Desintegration des Wandfilms an der Schaufelhinterkante; d) Tropfenverhalten in beschleunigten Strömungen; e) Bildung von Film und Strähnen auf der Druck- und Saugseite. Die relevanten Prozesse a), b), c) wurden am ITLR-S anhand von DNS Rechnungen mit zusätzlicher experimenteller Unterstützung untersucht und in Form von mathematischen Modellen für den vorliegenden Anwendungsbereich beschrieben. Die entwickelten Modelle wurden wiederum am LSM-HH in den hauseigenen Euler-Lagrange Code implementiert. Hierbei wird das Verdichterströmungsfeld durch Lösung der Navier-Stokes Gleichungen (Euler Betrachtung) berechnet, während das Tropfenverhalten durch Lösung der Bewegungsgleichungen in Lagrange´scher Formulierung berücksichtigt wird. Ausgiebige Messungen am Gitterwindkanal ergaben einerseits, dass durch die Wassereindüsung die Eigenschaften des Verdichterprofils am Auslegungspunkt primär durch eine Erhöhung des Verlustbeiwertes bestehen. Bei niedriger Belastung hingegen sowie bei Fehlanströmungen kann je nach Profil und Auslegung der Abstand zu Pumpgrenze verringert, in gewissen Fällen aber auch erhöht werden. Die implementierten Modelle können die Änderungen der Tropfenverteilung beim Durchgang durch das Gitter qualitativ nachvollziehen, allerdings stehen weitere Fragen der Modellierung offen wie beispielsweise das Herausreißen von Tropfen aus einem Film oder einer Strähne aber auch die Deformation bei entsprechenden We- und Oh-Zahlen. Durch die Anwendung des Euler-Lagrange Codes steht für zukünftige Arbeiten nun ein numerisches Arbeitswerkzeug zur Verfügung, das ein tieferes Verständnis des Gesamtprozesses zulässt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Application of a Novel Turbulence Generator to Multiphase Flow Computations, HLRS, High Performance Computing in Science & Engineering, 2010
Huber, C., Gomaa, H., Weigand, B.
- DNS Calculations for the Modeling of Real Industrial Applications, Atomization and Sprays, Vol. 20 / 4, pp. 281-296, 2010
Gomaa, H., Roth, N., Schlottke, J., Weigand, B.
- Experimental Investigation of the Aerodynamic Performance of a linear axial Compressor cascade with water Droplet Loading, IGTI/ASME Turbo Expo Paper GT2010-22831, 2010
Eisfeld T., Joos F.
- Preliminary Investigation on Diesel Droplet Impact on Oil Wallfilms in Diesel Engines, 24th ILASS 2011, 2011
Gomaa, H., Stotz, I., Sievers, M., Lamanna, G., Weigand, B.
- Experimental Investigation on the Performance of a Compressor Airfoil in Droplet Laden Flow, IGTI/ASME Paper No. GT2012-69464, 2012
Ober, B., Joos F.
- Experimental Investigation on Aerodynamic Behavior of a Compressor Cascade in Droplet Laden Flow, IGTI/ASME Paper No. GT2013-94731, 2013
Ober, B., Joos, F.
