Effiziente Berechnung von Gleitlagern und Dichtspalten in Turbomaschinen

Werden die Auswirkungen von Gleitlagern und Dichtspalten im Rahmen der Auslegung von Turbomaschinen nicht beherrscht, so können nicht erreichte Wirkungsgradanforderungen, unzulässige Vibrationen oder gar Ausfallzeiten und Schadensfälle die Folge sein. Zur Ermittlung relevanter Spaltkenngrößen stehen heute unterschiedliche Berechnungsmethoden zur Verfügung. Die Einschätzung, welche der Methoden in einem konkreten Anwendungsfall geeignet ist, bleibt dabei der Erfahrung des Anwenders überlassen. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist daher die Erarbeitung eines effizienten und gleichzeitig möglichst allgemein anwendbaren Berechnungswerkzeuges für Spaltströmungen sowie dessen Validierung für die typischen Einsatzbedingungen in modernen Turbomaschinen.

Im Rahmen einer ausführlichen Aufarbeitung und Diskussion des Forschungsstandes werden die wesentlichen Anforderungen an ein für allgemeine Spaltströmungen einsetzbares effizientes Berechnungswerkzeug identifiziert. Die Modellbildung der vorliegenden Arbeit erfolgt anschließend axiomatisch und wird durch analytische Größenordnungsbetrachtungen ergänzt. Die beschreibenden Gleichungen enthalten mit den radialen Strömungsgeschwindigkeitsprofilen und Wandschubspannungen zunächst noch unbekannte Terme, welche durch Einbeziehung empirischer Korrelationen modelliert werden. Für die auf diese Art geschlossene mathematische Problemformulierung wird ein iteratives Finite-Differenzen-Verfahren basierend auf einem SIMPLEC- Algorithmus erarbeitet sowie in MATLAB implementiert und verifiziert.

Zur Validierung wird das implementierte Berechnungswerkzeug im Rahmen von Parameterstudien zur Berechnung einerseits energetischer und andererseits rotordynamischer Spaltkenngrößen eingesetzt. Der Umfang dieser Parameterstudien wird durch die Anwendung inspektioneller Dimensionsanalysen deutlich reduziert, bleibt angesichts von 4 bzw. 7 Einflussparametern in den beiden Studien dennoch enorm. Als Referenzergebnisse für die Validierung werden dreidimensionale numerische Strömungssimulationen in ANSYS Fluent herangezogen. Aus der Validierung geht hervor, dass die Vorhersagen des effizienten Berechnungswerkzeuges (typische Rechenzeiten von ca. 90 s pro Betriebspunkt) mit denen der numerischen Strömungssimulationen (typische Rechenzeiten von ca. 5 h pro Betriebspunkt) in Bezug auf 9 der 11 untersuchten Einflüsse gut übereinstimmen.

Die vorliegende Arbeit enthält mit der Erarbeitung und Validierung des effizienten Berechnungswerkzeuges wesentliche Schritte auf dem Weg zur vereinheitlichten und damit gegenüber Anwenderfehlern robusteren effizienten Berechnung von Gleitlagern und Dichtspalten in Turbomaschinen.