Rotierende Labyrinthdichtungen Mit Honigwabenanstreifbelagen - Untersuchung Der Wechselwirkung Von Durchflussverhalten, Drallverlauf Und Totaltemperat

Die steigenden Anforderungen an die Leistungsfahigkeit und den spezifischen Treibstoffverbrauch von Gasturbinen und Flugtriebwerken lassen sich thermodynamisch durch eine Erhohung der Turbineneintrittstemperatur und des Druckverhaltnisses erreichen. Fur weitere Fortschritte sind hier deutliche Effizienzverbesserungen der Komponentenkuhlung, die auf der Kuhlluftversorgung aus dem Sekundarluftsystem basiert, essentiell. Die zur Auslegung des Sekundarluftsystems verwendeten Netzwerkloser mit den darin implementierten Modellen zur Berechnung der Einzelkomponenten werden daher von den Gasturbinenherstellern mit grossem Aufwand weiterentwickelt. Zusatzlich werden zur Detailauslegung einzelner Bauteile haufig numerische Stromungssimulationen verwendet. Eine wesentliche Komponente des Sekundarluftsystems sind Dichtungen, die in thermischen Turbomaschinen vorwiegend als Labyrinthdichtungen ausgefuhrt sind und deren Verhalten starken Einfluss auf die Effizienz des gesamten Sekundarluftsystems hat. Daher mussen die zur Auslegung und Optimierung verwendeten analytischen Berechnungsansatze sowie Modelle fur Stromungssimulationen eine exakte Bestimmung des Durchflussverhaltens, des Warmehaushalts (Warmeubergang und reibungsbedingte Totaltemperaturanderung) und des Verlaufs der Umfangsgeschwindigkeit (Drallverlauf) gewahrleisten. Uber die reibungsbedingte Totaltemperaturanderung und den Drallverlauf in Labyrinthdichtungen ist bisher nur wenig bekannt. Die Ergebnisse der vorliegende Arbeit tragen dazu bei, die Kenntnis uber die wechselseitigen Zusammenhange von reibungsbedingter Totaltemperaturanderung, Drallverlauf und Durchflussverhalten in Labyrinthdichtungen zu erweitern und fur die Anwendung im Turbomaschinenbau nutzbar zu machen. Hierzu gehoren neben den Gasturbinen auch Dampfturbinen, Turbolader oder das Reibmoment von Labyrinthdichtungen in Francis-Turbinen. In dieser Arbeit wurden - gestutzt auf Experimente - analytische und numerische Berechnungsverfahren zur Beschreibung von Labyrinthdichtungen angewendet und entwickelt. Es wurde ein spezieller Versuchsstand konstruiert, bei dem die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt der Labyrinthdichtung gemessen und variabel eingestellt werden konnte. Zum Schutz der Labyrinthspitzen werden am Stator haufig Anstreifbelage aus Honigwabenstrukturen angebracht. Daher wurde in dieser Arbeit, neben dem Referenzfall einer glatten Statoroberflache, der Einfluss der Rauigkeit von Honigwabenanstreifbelagen auf die Totaltemperaturanderung, den Drallverlauf und das Durchflussverhalten untersucht. Als Messtechnik wurden fur die Totaltemperaturanderung drehbare Sonden und fur das Stromungsfeld in den Labyrinthkammern die Laser-Doppler Anemometrie verwendet. In der Literatur existierte kein validierter Satz dimensionsloser Kennzahlen zur Beschreibung der reibungsbedingten Totaltemperaturanderung und des Drallverlaufs in Labyrinthdichtungen. Dimensionslose Kennzahlen sind jedoch erforderlich, um die Versuchsergebnisse von Labor- auf typische Triebwerksbedingungen zu ubertragen. Daher wurde zur Planung der Versuche und des Prufstands wurde eine Dimensionsanalyse durchgefuhrt. Durch die Anwendung der Dimensionsanalyse konnte die Zahl der Einflussgrossen von funfzehn dimensionsbehafteten auf sechs unabhangige dimensionslose Kenngrossen reduziert werden, was den experimentellen Aufwand deutlich verringert. Zur einfachen Anwendung bei der Versuchsplanung wurden in dieser Arbeit Skalierungsvorschriften aus den dimensionslosen Kennzahlen fur das Durchflussverhalten, den Drallverlauf und die Totaltemperaturanderung formuliert. Um die Wechselbeziehungen der Einflussgrossen zu verdeutlichen, eignen sich insbesondere integrale analytische Berechnungsansatze, deren formelmassige Zusammenhange die physikalischen Abhangigkeiten direkt wiedergeben. Solche Ansatze wurden deshalb fur den Drallverlauf und die Totaltemperaturanderung entwickelt und anhand der Ergebnisse der Experimente und Stromungssimulationen dieser Arbeit diskutiert. Ausser fur die schnelle Abschatzung von Grossenordnungen ist die Genauigkeit der integralen Berechnungsansatze fur die Auslegung des Sekundarluftsystems jedoch ohne eine Parameteranpassung nicht ausreichend. Aus diesen Grunden werden zunehmend sogenannte Bulk-Flow Modelle verwendet, die wegen der detaillierteren Abbildung der Physik bei der Berechnung von Kammer zu Kammer zu genaueren Ergebnissen fur die Totaltemperaturanderung und den Drallverlauf fuhren. Zur Modellierung der reibungsbedingten Totaltemperaturanderung und des Drallverlaufs werden in Bulk-Flow Modellen die Wandschubspannungen mit einfachen Reibungsansatzen berechnet. Bei Verwendung des neuen Bulk-Flow Modells fur das Durchflussverhalten sind die mittleren Zustandsgrossen in jeder Labyrinthkammer sehr genau berechenbar und eine gekoppelte Modellierung der reibungsbedingten Totaltemperaturanderung und des Drallverlaufs ist mit bisher nicht erreichter Prazision moglich, was durch einen Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen und Stromungssimulationen dieser Arbeit gezeigt wurde