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Unsteady Flow in Axial Turbines

Martin George Rose (Unbekannter Einband, Englisch)

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Beschreibung

*Deutsch* Die Habilitationsschrift behandelt instationäre Strömungen in Axialturbinen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Interaktion von Leitschaufelnachläufen mit Rotorschaufeln. Es wird die Änderung des thermodynamischen Zustands von Fluidelementen beim Passieren des Rotors untersucht. Ziel der Arbeit ist es Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie bei der Auslegung von Turbinen deren Effizienz durch die gezielte Beeinflussung der instationären Strömungen gesteigert werden kann. Die komplexen fluiddynamischen Zusammenhänge in Axialturbinen werden bereits seit vielen Jahren erforscht. So konnten bereits einige Erfolge darin erzielt werden, die verlusterzeugenden Effekte abzuschwächen. Die Untersuchungen zu instationären Effekten in den Strömungen hat bisher jedoch noch nicht dieselbe Tiefe erreicht. Die Ausnahme stellen hierbei Hochauftriebskonfigurationen dar, auf die in Kapitel 1 eingegangen wird. Turbulente Grenzschichten sind für den größten Anteil an Verlusten in Axialturbinen verantwortlich. Sie sind gekennzeichnet durch chaotische und nichtdeterministische Geschwindigkeitsfluktuationen in alle drei Raumrichtungen. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf dem deterministischen Strömungsfeld und es wird gezeigt, dass die Instationarität die Verluste auch verringern kann. Für aktuelle Untersuchungen gibt es zwei wichtige Methoden, die in den letzten Jahrzehnten noch nicht zur Verfügung standen. Instationäre CFD und zeitaufgelöste Messungen. Beide Technologien, auf die in dieser Arbeit detailliert eingegangen wird, geben Aufschluss über die Interaktion der Leitschaufelnachläufe mit den stromabliegenden Rotorschaufeln. Sowohl die Erhaltungsgleichungen die diesen Strömungen zugrunde liegen, als auch die Literatur zu dieser Thematik werden besprochen. Aus der Literatur geht hervor, dass der zugrunde liegende Prozess, der der Turbine Arbeit entzieht, instationär sein muss. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird eine Idee entwickelt deren Kern es ist, dass die Arbeit, die das Fluid beim Durchgang durch einen Rotor verrichtet, zeitlich und räumlich variiert. Dies wird theoretisch, durch rechnergestützte Simulation, experimentell sowie auslegungstechnisch untersucht. Alle vier Ansätze führen zu ähnlichen Schlussfolgerungen. Die Arbeit die von dem Leitschaufelnachlauf am Rotor verrichtet wird, ist deutlich geringer als die des Freistroms. Hierfür wird der Begriff "Differentielle Arbeit" eingeführt. Diese Verringerung der Arbeit führt zu einer "Gleichrichtung" des Nachlaufs, was die nachfolgenden Verluste verringert und den Wirkungsgrad verbessert. Aus der Tatsache, dass der der Turbine Arbeit entziehende Prozess instationär sein muss, kann gefolgert werden, dass die Unterschiede in der Arbeit in der instationären Arbeit zu finden sind. In dieser Schrift werden die Eigenschaften instationärer Arbeit durch verschiedene Betrachtungen untersucht. Es werden die zugrunde liegenden Erhaltungsgleichungen besprochen, theoretische Untersuchungen zu der Strömung um Projektile durchgeführt und instationäre CFD-Turbinensimulationen ausgewertet. Dabei ergab sich bei der Auswertung der instationären CFD-Daten ebenso wie bei der Analyse der instationären experimentellen Daten ein unerwartetes Ergebnis. Die Entropie des Leitschaufelnachlaufs verringerte sich beim Durchlaufen des Rotors. Bei näherer Betrachtung zeigte sich, dass fluidinterne Wärmeübertragung für diesen Effekt verantwortlich ist. Dieser Prozess verursacht deutliche Änderungen in der Entropieverteilung des Strömungsfelds am Rotorauslass und muss bei der zukünftigen Interpretation von experimentellen Daten berücksichtigt werden. Turbinenauslegungen können mit Hinblick auf die differentielle Arbeit optimiert und der Wirkungsgrad so verbessert werden. Die Arbeit beinhaltet ein Auslegungsbeispiel, bei dem instationäre CFD-Simulationen benutzt werden, um die Leistung dreier Turbinen mit unterschiedlichen Niveaus instationärer Interaktion zu beurteilen. In Übereinstimmung mit den Schlussfolgerungen dieser Arbeit war die Auslegung mit der stärksten instationären Interaktion die in der Simulation effizienteste. *English* This "habilitation" thesis addresses the topic of unsteady flows in axial turbines. The focus is on the interaction of stator wakes with rotor blades. The change in thermodynamic state of fluid particles as they negotiate the rotor is studied. The ultimate aim of the work is to find out how to design more efficient turbines through the control of this unsteady flow field. There is a long history of research looking at the complex fluid mechanics of axial flow turbines. Some success has been reported in mitigating loss generating effects. Unsteadiness as a topic has not received the same depth of research. The exception being the so called ‘high lift’ topic reviewed in Chapter 1. Turbulent boundary layers are responsible for most of the loss in axial turbines. In such boundary layers there is a chaotic and non-deterministic fluctuation of the velocity in three-dimensions. The correlation of these velocities gives rise to Reynolds stresses. In the thesis we focus on the deterministic flow field and find that the unsteadiness can also reduce loss. Today we have available two major facilities not enjoyed in previous decades: unsteady CFD and time resolved instrumentation. Both are heavily exploited in this thesis and some light is shed on the nature of the interaction of NGV wakes with downstream rotor blades. The foundations of this topic are addressed both in terms of world literature and also in terms of the conservation equations governing such flows. In the literature it becomes clear that the turbine work extraction process must be unsteady. In the rest of the thesis an idea is developed: that the work done by the fluid passing through a rotor varies in time and space. This idea is addressed theoretically, computationally, experimentally and in design. All four approaches yield conclusions in the same direction: the work done by the NGV wake on the rotor is significantly lower than that done by the free-stream fluid: the term "differential work" is used. This reduction in work tends to ‘rectify’ the wake and reduces subsequent mixing losses - causing improvements in efficiency. Since the work extraction process must be unsteady it is reasonable to assert that it is in the unsteady work of the turbine that the differences in work are to be found. The nature of unsteady work is studied in this thesis; in the conservation equations, in the theoretical analysis of the flow around projectiles and in the output processing of unsteady turbine CFD predictions. An unexpected result was found in the output processing of unsteady CFD and also in the analysis of unsteady experimental data: the entropy of the NGV wake falls as it traverses the rotor. On closer inspection it becomes clear that this is due to heat transfer intra-fluid. The wake is hot in un-cooled turbines and looses heat to the surrounding free-stream fluid. The process causes very significant changes in the distribution of entropy in the flow field at rotor exit and must be allowed for when new experimental data is interpreted. The mechanism of differential work offers the possibility to optimise turbine design in this regard and hence improve efficiency. The thesis includes a design attempt in which unsteady CFD is used to assess the performance of three turbines with different levels of unsteady interaction. In line with the major conclusions of this thesis the most efficient design was predicted to be the one with the strongest unsteady interaction. Weniger zeigen

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Produktinformationen

Technische Daten

Erscheinungsdatum

20.06.2011

Sprache

Englisch

EAN

9783866245310

Herausgeber

Winter Industries

Serien- oder Bandtitel

Habilitation

Sonderedition

Nein

Autor

Martin George Rose

Seitenanzahl

153

Auflage

Einbandart

Unbekannter Einband

Bandzählung

Höhe

210 mm

Breite

15 cm

Warnhinweise und Sicherheitsinformationen

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Bewertungen

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