Das Lag-Entrainment-Integralverfahren zur Auslegung von axialen Abgasdiffusoren

Der Einsatz regenerativer Energien kann zu Schwankungen in der Stromerzeugung führen. Um eine gleichmäßige Stromversorgung zu gewährleisten, müssen diese Unregelmäßigkeiten vermieden werden. Die Gasturbine kann in hohem Maße zur Lösung dieses Problems beitragen, da sie innerhalb kürzester Zeit Lastwechsel vollziehen und somit diese Schwankungen ausgleichen kann. Die Gasturbine wird daher auch in Zukunft, in einem zunehmend von regenerativer Stromerzeugung dominierten Kraftwerkspark, eine bedeutende Rolle einnehmen. Die Einzelkomponenten Verdichter, Brennkammer und Turbine erreichen schon heute in einer Gasturbinenanlage hohe Wirkungsgrade. Daher werden bei der Optimierung dieses Kraftwerkstyps verstärkt weitere Komponenten, wie beispielsweise der Abgasdiffusor, in den Fokus der Entwicklung rücken. Die Vorhersage der Strömung in einem Diffusor, die auf Grund der starken Strömungsverzögerung ablösegefährdet ist, ist mit den heute zur Verfügung stehenden numerischen Werkzeugen kompliziert. Stromab der Nabe, die in der Regel innerhalb des Diffusors endet, kommt es zu einem Totwassergebiet, was die numerische Auslegung von Diffusoren weiter erschwert. Heutzutage kommen für viele Strömungsprobleme als Auslegewerkzeug in der Industrie vor allem Verfahren auf Basis der Reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen und Integralverfahren zum Einsatz. Das Lag- Entrainment-Integralverfahren wird beispielsweise bereits erfolgreich bei der Berechnung von Tragflügel- bzw. Schaufelumströmungen eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird dieses numerische Verfahren zur Berechnung der Diffusorströmung angewandt. Ziel ist es, das Verfahren auf seine Eignung als Vorauslegewerkzeug von axialen Abgasdiffusoren zu testen und zukünftige Weiterentwicklungen aufzuzeigen, um das Verfahren diesbezüglich zu verbessern. Das genannte Verfahren ist Teil einer Zonenmethode, bei der die Strömung in eine reibungsbehaftete Grenzschicht an den strömungsbegrenzenden Wänden und eine reibungsfreie Außenströmung unterteilt wird. Die reibungsfreie Außenströmung wird dabei mit einem Throughflow-Verfahren behandelt, so dass über die zweidimensionale Betrachtung die gegenüberliegenden Grenzschichten am Gehäuse und an der Nabe, bzw. das Totwassergebiet stromab der Nabe, miteinander in Verbindung gebracht werden. Die beiden Zonen werden über eine semi-inverse Formulierung der Gleichungen miteinander verknüpft.