Modellentwicklung zur aerothermodynamischen Simulation der Turbomaschinenkomponenten in Mikrogasturbinen für die energetische Biomassenutzung
Final Report Abstract
Mit den hier durchgeführten Untersuchungen wird das Ziel verfolgt, die Beschreibung der Meridianströmung in den Turbomaschinenkomponenten zu verbessern. Dabei steht die Modellierung der realen dreidimensionalen Strömung in derartigen ein- und zweidimensionalen Modellen im Vordergrund. Aussagekräftige Ergebnisse sind dann möglich, wenn empirische Korrelationen die Vorgänge beschreiben, die mit den reduzierten Bilanzgleichungen nicht erfasst werden. Die Auswahl der Korrelationen für Verluste, Minderumlenkung und aerodynamische Blockage erfolgte auf Basis publizierter Modelle für radiale Verdichter und Turbinen. Zur Wiedergabe der Verluste wird eine Superposition der verschiedenen physikalischen Vorgänge vorgenommen. Aufgrund der geringeren geometrischen Abmessungen sind die Reynolds-Zahlen für die Turbokomponenten in Mikrogasturbinen geringer und damit die Wirkung viskoser Effekte auf die Entwicklung der Strömung größer. Um diesen Einfluss in den bestehenden Korrelationen genauer zu erfassen, wurden hier geeignete Korrekturen entwickelt. Entsprechende Modifikationen wurden ebenfalls für die Modelle zur Beschreibung der Minderumlenkung und der Blockage erarbeitet. Dabei wurden zum Teil auch Erweiterungen der publizierten Korrelationen vorgenommen, um Einflüsse der Mach- und Reynolds-Zahl, der Gitterbelastung und Inzidenzlage zu erfassen. Zur Weiterentwicklung der bekannten Modellgleichungen wurden im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen umfangreiche numerische Studien anhand einer Radialturbine und eines Radialverdichters durchgeführt. Dabei wurden die Ergebnisse des dreidimensionalen CFD-Verfahrens zunächst validiert. Im Falle der Turbine erfolgte dies durch Rücksprache mit dem Hersteller, und für den Radialverdichter wurden die Ergebnisse der Rechnungen anhand der publizierten Messungen überprüft. Zur Erstellung der Datenbasis mittels CFD-Rechnungen wurden für die Turbine 44 und für den Verdichter 42 Rechnungen durchgeführt und dabei die Parameter Mach-Zahl, Inzidenz, Reynods-Zahl und Spaltweite variiert. Für diese Rechnungen wurde das Laufrad der Turbine diskretisiert. Das Modell des Radialverdichters umfasst neben dem Laufrad noch den unbeschaufelten Diffusor. Durch eine Studie zur Netzunabhängigkeit der numerischen Ergebnisse erfolgt die Festlegung der räumlichen Netzauflösung auf etwa 1,5 Millionen Knoten. Die Modellierung der Turbulenz erfolgte mit einem Eingleichungs-Turbulenzmodell von Spalart & Allmaras. Mit der Anpassung der Korrelationen an die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen ergeben sich bei der Vorhersage der Verluste relative Abweichungen mit einer Schwankungsbreite von 1,2% ± 11,5% für den Verdichter und von −0,1% ± 18,6% für die Turbine. Bei der Vorhersage der Minderumlekung sind die entsprechenden Werte −2,1% ± 13,5% (Verdichter) bzw. 0,2% ± 2,2% (Turbine). Der Bereich der relativen Abweichungen der Blockagekorrelation umfasst 0,1% ± 7,4% für den Verdichter und 0,0% ± 1,5% für die Turbine. Gegenüber den originalen Korrelationen sind die mittleren Abweichungen durchschnittlich um 16,3 Prozentpunkte und die Standardabweichung 1,7 Prozentpunkte besser. Die im Rahmen dieser Untersuchungen entwickelten Korrelationen wurden in weiteren Arbeiten in ein eindimensionales aerothermodynamisches Modell einer Mikrogasturbine implementiert. Es setzt sich aus den Komponenten Einlauf, Radialverdichter, Rekuperator, Brennkammer, Radialturbine und Abgaskanal zusammen. Dabei werden in den Turbokomponenten die einzelnen Schaufelreihen erfasst und die Energieübertragung durch die Modellierung der verlustbehafteten Strömungsumlenkung in den Gittern beschrieben. Während des Projektes hat es sich gezeigt, dass eine belastbare Modellierung der Vorgänge besondere Anforderungen an die numerische Simulation stellt, die zum Teil unterschätzt wurde. Dies hat in erheblichem Umfang zur Wiederholung von Arbeitsschritten geführt.
