Forschung im Ingenieurwesen

, Volume 76, Issue 1–2, pp 1–13 | Cite as

Grundlagenuntersuchung zu den Strömungsverhältnissen in hochtourigen Turbinengleitlagern: Strömung in einem Konfusor mit einseitig bewegter Berandung

  • S. Uhkötter
  • A. Becker
  • H. Czajka
  • S. aus der Wiesche
  • S. Brasseler
  • P. Ehrhard
Originalarbeiten/Originals

Zusammenfassung

Die Strömungsverhältnisse in einem schlanken Konfusor mit einseitig bewegter ebener Wand werden experimentell und numerisch für eine turbulente Reynolds-Zahl von 9,95×103 untersucht. Die Resultate können zum grundlegenden Verständnis für die Strömungen, die in Gleitlagertaschen für hochtourige Turbomaschinen in Schwerbauweise auftreten, verwendet werden. Hierbei zeigt sich, dass sich in unmittelbarer Nähe der bewegten Wand (Wellenzapfen) eine dünne turbulente Grenzschicht ausbildet, während die übrige Kanalgeometrie (Lagertasche) von einem turbulenten Totwasser mit nur sehr geringen Sekundärströmungen (Rezirkulationen) erfüllt ist. Durch den Vergleich mit detaillierten LDA-Messungen zeigte sich, dass das Realizablekε-Modell gut geeignet für die numerische Simulation solcher Strömungen ist.

Formelzeichen

A0

turbulente Modellkonstante (–)

As

turbulenter Modellparameter (–)

B

Kanalbreite (m)

C

turbulente Schließungskonstante (–)

D

Durchmesser (m)

dH

hydraulischer Durchmesser (m)

e

Exzentrizität (m)

G

turbulenter Produktionsterm (kg/(m s3))

H

Lagertaschentiefe (m)

h

Lagerspalt (m)

k

kinetische Turbulenzenergie (m2/s2)

L

Länge (Kanalbereiche) (m)

N

Zellenanzahl (–)

p

Druck (Pa)

R

Radius (R=D/2) (m)

Ra,Rz

Rauheitsmaße (μm)

Re

Reynolds-Zahl (–)

Sij

Deformationsgeschwindigkeitstensor (1/s)

t

Zeit (s)

U

turbulenter Modellparameter (1/s)

u

Geschwindigkeit (m/s)

x

Cartesische Koordinate (m)

y

Kanalhöhe (m)

Griechische Formelzeichen

γ

Konfusorwinkel ()

δ0

Nulldurchgang (Grenzschichtdicke) (m)

ε

turbulente Dissipationsrate (m2/s3)

εijk

turbulenter Dehnungsratentensor (–)

η

turbulenter Modellparameter (–)

μ

dynamische Viskosität (Pa s)

ρ

Dichte (kg/m3)

σ

turbulente Schließungskonstante (–)

Ωij

Rotationstensor (1/s)

ω

Rotationsgeschwindigkeit (rad/s)

Subskripte

eff

effektiv

H

Lagertaschentiefe

i, j

Koordinatenindex, i=x,y,z

W

bewegte Wand, Wellenzapfen

turb

turbulent

1, 2, 3

Längenabschnitte

Mathematische Symbole

\(\bar{u}\)

Mittelwert von u

u

Schwankungswert (Turbulenz) von u

Fundamental research study regarding the flow in turbine journal bearings: the flow in a confusor with a single moving wall

Abstract

The flow in a confusor with a plane moving wall was investigated both experimentally and numerically for a turbulent Reynolds-number of 9.95×103. These fundamental results can be applied for journal bearings used in case of large turbo-machines. It is found that the moving wall (journal) leads to a turbulent boundary layer flow whereas the mean flow in the groove domains is turbulent with only weak secondary flow features like recirculation zones. By means of a comparison with LDA measurements it is shown that the Realizablekε-model is well suited for corresponding flow configurations.

Literatur

  1. 1.
    Traupel W (1968) Thermische Turbomaschinen. 2. Bd 2. Aufl. Springer, Berlin Google Scholar
  2. 2.
    Bloch HP, Singh MP (2009) Steam turbines, 2. Aufl. McGraw-Hill, New York Google Scholar
  3. 3.
    Rangwala AS (2005) Turbo-machinery dynamics. McGraw-Hill, New York Google Scholar
  4. 4.
    Boyce MP (2006) Gas turbine engineering handbook, 3. Aufl. Gulf Professional Publishing, Boston (insbesondere Kapitel 13) Google Scholar
  5. 5.
    Lechner C, Seume J (Hrsg) (2010) Stationäre Gasturbinen, 2. Aufl. Springer, Berlin (insbesondere Kapitel 22) Google Scholar
  6. 6.
    Sommerfeld A (1992) Vorlesungen über Theoretische Physik. Bd II. Mechanik der deformierbaren Medien. Verlag Harri Deutsch, Thun Google Scholar
  7. 7.
    Spurk JH (2006) Strömungslehre. 4. Aufl. Springer, Berlin (insbesondere Kapitel 8) MATHGoogle Scholar
  8. 8.
    Guyon E, Hulin J-P, Petit L, Mitescu CD (2001) Physical hydrodynamics. Oxford University Press, Oxford MATHGoogle Scholar
  9. 9.
    Floberg L, Jakobsson B (1957) The finite journal bearing considering vaporization. Transactions of Chalmers University of Technology Nr 109. Göteborg, Schweden Google Scholar
  10. 10.
    DIN 31657 T 1-4 (1996): Hydrodynamische Radialgleitlager im stationären Betrieb. Berechnungsgrundlagen für Mehr- und Kippsegmentlager Google Scholar
  11. 11.
    Mittwollen N (1987) Taschenlager-Optimierung. Abschlussbericht. FVV Vorhaben-Nr 339 Google Scholar
  12. 12.
    Mittwollen N, Rückert A (1991) Verbesserung der Berechnungsgrundlagen für schnellaufende, hochbelastete Mehrgleitflächen- und Radialkippsegmentlager. Abschlussbericht BMFT-Verbundprojekt „Gleitlageruntersuchungen“. TU Braunschweig Google Scholar
  13. 13.
    VT-FAST (current version) 3.0 (2005) Virginia Tech, Blacksburg, VA. www.rotorlab.me.vt.edu/vtfast.html
  14. 14.
    Guo S, Hirano S, Kirk RG (2005) Application of CFD analysis for rotating machinery. Part 1. Hydrodynamic, hydrostatic bearings and squeeze film damper. J Eng Gas Turbines Power 127:445–451 CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    Shankar PN, Deshpande MD (2000) Fluid mechanics in the driven cavity. Annu Rev Fluid Mech 32:93–136 MathSciNetCrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    Griebel M, Dornseifer T, Neunhoeffer T (1995) Numerische Simulation in der Strömungsmechanik. Vieweg-Verlag, Wiesbaden Google Scholar
  17. 17.
    Bruneau C-H, Saad M (2006) The 2D lid-driven cavity problem revisited. Comput Fluids 35:326–348 MATHCrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    Prasad AK, Koseff JR (1989) Reynolds-number and end-wall effects on a lid-driven cavity flow. Phys Fluids 1:208–309 CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    Albensoeder S, Kuhlmann HC, Rath HJ (2001) Three-dimensional centrifugal-flow instabilities in the lid-driven-cavity problem. Phys Fluids 13:121–136 CrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    Albensoeder S, Kuhlmann HC (2006) Nonlinear three-dimensional flow in the lid-driven-square cavity. J Fluid Mech 569:465–480 MathSciNetMATHCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Schlichting H, Gersten K (1997) Grenzschicht-Theorie. 9. Aufl. Springer, Heidelberg MATHGoogle Scholar
  22. 22.
    Rotta JC (1972) Turbulente Strömungen. Teubner-Verlag, Stuttgart MATHCrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    Gessner FB, Jones JB (1965) On some aspects of fully-developed turbulent flow in rectangular channels. J Fluid Mech 23:689–713 CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Launder BE, Spalding DB (1974) The numerical computation of turbulent flows. Comput Methods Appl Mech Eng 3:269–289 MATHCrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    Shih T-H, Liou WW, Shabbir A, Tang Z, Zhu J (1995) A new k-epsilon Eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows. Comput Fluids 24:227–238 MATHCrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    Spalart PR, Allmaras SR (1992) A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. AIAA paper-No 92-0439 Google Scholar
  27. 27.
    Epple B, Leithner R, Linzer W, Walter H (Hrsg) (2009) Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen. Springer, Wien CrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    Herwig H, Hölling H, Eisfeld T (2005) Sind Sekundärströmungen noch zeitgemäß? Forsch Ingenieurwes, 69, 115–119 CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2012

Authors and Affiliations

  • S. Uhkötter
    • 1
  • A. Becker
    • 1
  • H. Czajka
    • 1
  • S. aus der Wiesche
    • 1
  • S. Brasseler
    • 2
  • P. Ehrhard
    • 2
  1. 1.Fachbereich MaschinenbauFachhochschule MünsterSteinfurtDeutschland
  2. 2.Fakultät für Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl für StrömungsmechanikTechnische Universität DortmundDortmundDeutschland

Personalised recommendations