CFD-Simulation und Analyse des Einflusses geometrischer Variation auf die Strömung in einer Preswirl-Kavität im Sekundärluftsystem einer Gasturbine

Abstract

Moderne Flugtriebwerke erzielen hohe Wirkungsgrade durch hohe Turbineneintrittstemperaturen, die jedoch eine zuverlässige Kühlung von Turbinenkomponenten erfordern. Hierfür kommt das Sekundärluftsystem um Einsatz. Eine zentrale Komponente des Sekundärluftsystems ist die Preswirl-Kavität in der ersten Hochdruckturbinenstufe, in der die Kühlluft durch Preswirl Nozzles in Umfangsrichtung des Rotors beschleunigt wird, um die Einlaufbedingungen in die Receiver-Holes des Rotors und damit die Kühlwirkung des Preswirl-Systems zu verbessern. In dieser Arbeit wird der Einfluss geometrischer Variationen auf die Strömung in einem solchen Preswirl-System numerisch untersucht. Ziel ist es, den Einfluss von Änderungen der Kavitätsgeometrie auf das Strömungsfeld und auf relevante Strömungsgrößen zu analysieren. Nach Erstellung eines parametrischen CAD-Modells der Kavität wird aus diesem ein Rechennetz generiert, mit dem stationäre, RANS-basierte Strömungssimulationen unter Einsatz des SST-k-omega-Turbulenzmodells durchgeführt werden. Anschließend wird eine Netzkonvergenstudie durchgeführt. Variiert werden die axiale Kavitätsbreite, der Anstellwinkel der Preswirl-Düsen sowie die Anzahl und die radiale Position der Receiver-Holes. Die Ergebnisse zeigen, dass die betrachteten Geometrieparameter die Strömungsstruktur in der Kavität und die Einlaufbedingungen in die Receiver-Holes deutlich verändern und damit Massenstrom, Totaldruckverluste sowie die Totaltemperatur maßgeblich beeinflussen. Somit liefert die Arbeit eine systematische Grundlage zur Bewertung geometrischer Parameter in Preswirl-Kavitäten und unterstützt die zielgerichtete Auslegung von Sekundärluftsystemen.