Verbesserte Wiedergabe der Turbulenz in Turbinenströmungen und deren Einfluss auf das dreidimensionale Grenzschichtverhalten

Die Effizienzsteigerung moderner Flugtriebwerke wird zunehmend über eine Erhöhung des Bypass-Verhältnisses realisiert. Um die positiven Eigenschaften des immer größer werdenden Nebenstromverhältnisses größtmöglich auszuschöpfen, muss die Antriebswelle des Fans sehr langsam drehen. Die geringe Fandrehzahl hat hierbei zur Folge, dass die antreibende Niederdruckturbine bei drehzahlgleicher Kopplung eine größere Anzahl an Stufen benötigt, um eine resultierende Belastungserhöhung zu umgehen, was wiederum in einer starken Gewichtszunahme resultiert. Neuartige Turbofantriebwerke, sogenannten Getriebefans (GTF), umgehen diese Schwachstelle mit einem Untersetzungsgetriebe. Somit kann sowohl der Fan als auch die Niederdruckturbine bei ihrer jeweils optimierten Drehzahl operieren. Dies macht weiterhin den Entwurf neuer Niederdurckturbinenprofile für diese Triebwerkstypen notwendig. Die aerodynamische Auslegung dieser Turbomaschinenkomponenten geschieht heutzutage mittels dreidimensionaler CFD-Verfahren. Diese CFD-Verfahren sind in der Lage, mehrstufige 3D Schaufelpassagen unter Berücksichtigung instationärer Effekte zu simulieren. Trotz der kontinuierlichen Verbesserung dieser Verfahren über die letzten Jahrzehnte gibt es weiterhin Ungenauigkeiten in der Vorhersage der turbulenten Grundströmung und daraus resultierend des Einflusses der turbulenten Randbedingungen auf das zwei- und dreidimensionale Strömungs- und Grenzschichtverhalten von Turbomaschinenkomponenten.
In der vorliegenden Arbeit wird ein in der Industrie im Auslegungsprozess verwendetes CFD-Verfahren (RANS-Verfahren) durch zwei bereits vorhandene Modellerweiterungen ergänzt und an verschiedenen Testfällen validiert. Hierbei wurde das k-ω Turbulenzmodell nach Wilcox (1988) mit der Viscous Blending Turbulenzmodellerweiterung nach Bode et al. in Kombination mit dem γ-ReΘ Transitionsmodell nach Menter und Langtry und einer Erweiterung zur Berücksichtigung dreidimensionaler Transitionsvorgänge nach Menter und Smirnov verwendet. Durch die Turbulenzmodellerweiterung soll eine verbesserte Wiedergabe der turbulenten Grundströmung erreicht werden, die im Weiteren zu einer verbesserten Wiedergabe der Sekundärströmung und Vorhersage des Grenzschichtverhaltens auf den reibungsbehafteten Oberflächen führt. Da zudem die Vorhersagegenauigkeit des Grenzschichtverhaltens in den hochgradig dreidimensionalen Bereichen nahe und auf den Seitenwänden von Turbinen noch Defizite aufweist, soll geprüft werden ob die zusätzliche Transitionsmodellerweiterung in diesen Bereichen eine verbesserte Strömungsvorhersage liefert und somit ein Verbesserungspotential darstellen würde. (Bei der Transitionsmodellerweiterung handelt es sich um das C1-Arnal Kriterium zur Berücksichtigung des querströmungsinduzierten Grenzschichtübergang in einer hochgradig dreidimensionalen Strömung.

Das verbesserte CFD-Verfahren wurde in dieser Arbeit an generischen Testfällen und Turbinenkaskaden validiert und getestet. Bei den hier verwendeten Validierungstestfällen zeigte sich eine deutliche Verbesserung der Vorhersage mit den erweiterten Modellen gegenüber dem Originalmodell. Da die Datenbasis der Validierungstestfälle für eine grundlegende Validierung gerade im Bereich der dreidimensionalen Strömung allerdings nicht ausreichend war, wurde im weiteren Verlauf dieser Arbeit ein eigener Turbinenkaskadentestfall zunächst experimentell untersucht und später zur weiteren Validierung herangezogen. Dieser Testfall zeichnet sich durch eine detaillierte Vermessung der Zuströmung, der Grenzschichten auf den reibungsbehafteten Oberflächen und der Abströmung aus. Neben der Validierung der korrekten Vorgabe der turbulenten Randbedingungen zeigte sich durch die Verwendung der Modellerweiterungen eine deutlich verbesserte Wiedergabe der Grenzschichten und deren Verhalten auf den reibungsbehafteten Oberflächen. Zudem zeigte sich eine verbesserte Wiedergabe der sekundärströmungsinduzierten Wirbel und deren Trajektorie im Strömungsfeld, die einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtverluste haben. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung der Modellerweiterungen eine deutliche Verbesserung der Wiedergabe der Turbulenz in Turbinenströmungen möglich ist und hierbei die Vorhersagegenauigkeit des Grenzschicht- und Verlustverhaltens erhöht wird. Die erhöhte Vorhersagegenauigkeit hat einen direkten Einfluss auf die Auslegung neuer Turbomaschinenkomponenten mit diesem CFD-Verfahren.