Modellierung des Einflusses von Ausblasungen auf die Grenzschichttransition in hochbelasteten Niederdruckturbinen

Abstract

Die Leistungsdichte von modernen getriebelosen Fan-Triebwerken kann bei gleichzeitiger Reduktion des Gewichts gesteigert werden, wenn die aerodynamische Belastung der Niederdruckturbine (NDT) erhöht wird. Um insbesondere bei im Reiseflug auftretenden Reynolds-Zahlen Re < 100.000 höhere Verluste zu vermeiden, können stationäre Ausblasungen (engl. Vortex Generating Jets, VGJ) zur Verringerung von laminaren Ablösungen der saugseitigen Profilgrenzschicht eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein zum Zweck der industriellen Auslegung von hochbelasteten Niederdruckturbinen mit Ausblasungen mittels stationärer numerischer Strömungssimulationen neu entwickeltes halb-empirisches Transitionsmodell zur Berücksichtigung des durch Ausblasungen induzierten laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags vorgestellt. Das VGJ-Modell basiert auf der Detektion von Wirbeln in der Grenzschicht, deren Rotationsachsen parallel zur Hauptströmungsrichtung sind und somit Querströmungsgeschwindigkeitsprofile mit Wendepunkten nach sich ziehen. Die Grundlage für die Modellierung bildet das in den Strömungslöser TRACE implementierte y-Re0-Transitionsmodell in Kombination mit dem k-w-Turbulenzmodell. Die ausblasungsinduzierte Transition wird ausschließlich in der Grenzschicht durch die Verwendung lokaler Operationen mittels negativer Produktionsterme der Re0-Transportgleichung modelliert. Neben einer Beschreibung des neuen Transitionsmodells wird dieses in der vorliegenden Arbeit anhand generischer Testfälle qualitativ verifiziert sowie anhand experimenteller Untersuchungen hochbelasteter NDT-Profile mit Ausblasungen in einem Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal validiert. Diese Validierungen umfassen umfangreiche Variationen von Betriebspunkt- und Auslegungsparametern. Es wird insgesamt eine sehr gute quantitative Wiedergabe der experimentellen Profildruckverteilungen und Abströmungsgrößen erzielt, wobei besonders für Re < 100.000 eine signifikante Verbesserung gegenüber Simulationen mit dem ursprünglichen y-Re0-Transitionsmodell aufgrund einer physikalisch plausiblen Abbildung des Transitionsprozesses stromabwärts der Ausblasungen erreicht wird. Die Anwendung des Modells auf die ebenfalls durch Querströmungswirbel dominierten Randzonen von Niederdruckturbinenkaskaden führt durch die Detektion der Sekundärströmungsstrukturen und der Modellierung der von ihnen ausgehenden transitionellen Einflüsse zu einer verbesserten Wiedergabe von experimentellen Abströmungsgrößen. Ein weiterer von Ausblasungen unabhängiger und quantitativ geringer Einfluss des Modells wird bei der Simulation einer eineinhalb-stufigen Turbine bei niedrigen Massenströmen festgestellt. Zurückzuführen ist dieser Einfluss auf wirbelbehaftete Ablösegebiete, die in Folge von Fehlanströmungen entstehen. Die Ergebnisse erlauben insgesamt die Schlussfolgerung, dass das neu entwickelte VGJ-Modell stationäre CFD-Simulationen mit RANS-Turbulenzmodellierung für die Auslegung von Niederdruckturbinen mit Ausblasungen qualifiziert.