Development of CFD-Based Tip Clearance Loss and Deviation Models for Axial-Flow Turbines
| dc.date.accessioned | 2020-09-11T10:24:50Z | |
| dc.date.available | 2020-09-11T10:24:50Z | |
| dc.date.issued | 2020-01 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202008071544 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/11799 | |
| dc.language.iso | eng | eng |
| dc.rights | Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International | * |
| dc.rights | Namensnennung 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | * |
| dc.subject | Turbine | ger |
| dc.subject | Verlustkorrelation | ger |
| dc.subject | Spaltverlust | ger |
| dc.subject | Loss correlation | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.title | Development of CFD-Based Tip Clearance Loss and Deviation Models for Axial-Flow Turbines | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Accurate loss correlations are crucial for reliable turbine performance predictions with low-fidelity tools. However, conventional tip clearance models disregard some important loss effects, e. g. from the relative motion between blades and endwall, and their natural spanwise distributions, which are valuable for through-flow methods. The objective of this thesis is the development of more realistic tip clearance models by means of high-fidelity CFD simulations, which capture all three-dimensional flow effects and provide highly resolved results. Therefore, a numerical model of a single-stage, high-pressure turbine was set up, verified and validated with experimental data. The model was adapted to allow deliberate parameter variations at the rotor. This model was used in a numerical parameter study, in which all significant tip clearance parameters were varied individually. The simulations were evaluated concerning the mixed-out tip clearance losses and outflow angle deviations to formulate partial correlations for each parameter, which were eventually combined to a set of CFD-based tip clearance correlations. In addition, a downstream progression model was developed, which corrects the correlation results with respect to the local conditions at downstream blade rows. To account for interrelations between the effects, Kriging surrogate models were developed for the three primary parameters gap height, blade loading and incidence. The space-filling technique was applied to refine the models with additional CFD simulations at unprobed locations having high Krige variance. Compared to the CFD-based correlations, the surrogate models show differences at large gap heights and low blade loadings. Both developed tip clearance models were implemented into a through-flow program. Furthermore, the initial mathematical model, which distributes the losses and deviations in spanwise direction for the through-flow method, was supplemented by the more realistic distributions from the CFD simulations. For verification and validation, additional CFD simulations at different operation points were evaluated and performance calculations of a four-stage air turbine were conducted. In comparison to the conventional correlations, the new models yield more accurate tip clearance losses and deviations and increase the agreement with the efficiency and pressure ratio data of the turbine experiments. In particular the performance results obtained with the Kriging surrogate model at part load operation improved. Moreover, applying the CFD spanwise distributions enhances the local flow field prediction on the meridional stream surface. In conclusion, the numerical approach succeeded in developing more accurate and realistic tip clearance models. | eng |
| dcterms.abstract | Präzise Verlustkorrelationen sind notwendig, um zuverlässige Vorhersagen über Turbinenkennwerte mit Low-Fidelity Methoden treffen zu können. Herkömmliche Spaltverlustkorrelationen vernachlässigen jedoch wichtige Verlusteffekte, wie z. B. die der Relativbewegung zwischen Schaufel und Endwand, und ihre natürlichen Radialverläufe, die für Through-Flow Methoden vorteilhaft sind. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung realitätstreuer Spaltmodelle unter Zuhilfenahme von High-Fidelity CFD-Simulationen, welche sämtliche dreidimensionalen Strömungseffekte abbilden können sowie hochaufgelöste Ergebnisse liefern. Dafür wurde ein numerisches Modell für eine einstufige Hochdruckturbine erstellt, verifiziert und anhand experimenteller Daten validiert. Das Modell wurde angepasst, um gezielt Parametervariationen am Rotor durchführen zu können. Anschließend wurde eine numerische Parameterstudie durchgeführt, in der alle signifikanten Spaltparameter einzeln variiert wurden. Die Simulationen wurden hinsichtlich der ausgemischten Spaltverluste und Abströmwinkeländerungen ausgewertet, so dass für jeden Parameter Teilkorrelationen formuliert werden konnten, die dann zu den CFD-basierten Spaltkorrelationen kombiniert wurden. Zudem wurde ein Modell entwickelt, das die Korrelationsergebnisse entsprechend den lokalen Bedingungen an den stromab liegenden Schaufelnkorrigiert. Um den Wechselwirkungen zwischen den Effekten Rechnung zu tragen, wurde ein Kriging Ersatzmodell für die drei Hauptparameter Spalthöhe, Schaufelbelastung und Inzidenz entwickelt. Mit der space-filling Methode wurde das Modell durch zusätzliche CFD-Simulationen an Orten hoher Krige-Varianz verfeinert. Bei großen Spalthöhen und niedrigen Schaufelbelastungenunterscheidet sich das Ersatzmodell von den CFD-basierten Korrelationen. Beide Modelle wurden in ein Through-Flow Programm implementiert. Zudem wurde ein mathematisches Modell zur radialen Verteilung der Spaltergebnisse im Through-Flow Programm durch die realistischeren Verläufe der CFD-Simulationen ergänzt. Zur Verifizierung und Validierung wurden zusätzliche CFD-Simulationen an verschiedenen Betriebspunkten ausgewertet und Kennfeldberechnungen für eine vierstufige Luftturbine durchgeführt. Verglichen mit den herkömmlichen Korrelationen liefern die neuen Modelle genauere Spaltverluste und Winkeländerungen und stimmen bezüglich Wirkungsgrad und Druckverhältnis mehr mit den experimentellen Turbinendaten überein. Insbesondere im Teillastbereich konnten mit dem Kriging Ersatzmodell bessere Ergebnisse erzielt werden. Mit den radialen Verläufen der CFD-Simulationen konnte das Strömungsfeld entlang der meridionalen Stromfläche genauer abgebildet werden. Insgesamt konnten mit der numerischen Herangehensweise erfolgreich präzisere und realistischere Spaltmodelle entwickelt werden. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Buske, Clemens M. A. | |
| dcterms.dateAccepted | 2020-05-28 | |
| dcterms.extent | xvii, 144 Seiten | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau | |
| dc.contributor.referee | Lawerenz, Martin (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Mönig, Reinhard (Prof. Dr.) | |
| dc.subject.swd | Turbine | ger |
| dc.subject.swd | Mechanische Eigenschaft | ger |
| dc.subject.swd | Numerische Strömungssimulation | ger |
| kup.iskup | false |
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