CFD-Simulation der Strömung in einem Labyrinthdichtungsprüfstand : CFD simulation of the flow in a labyrinth seal test stand

• Main Author: Strongylis, Dimitrios
• Format: Text
• Language: German
• Published: TU Wien 2015
• Subjects: Labyrinthdichtung; CFD; labyrinth seal; Halten; Labyrinth; common seal
• Online Access: https://dx.doi.org/10.34726/hss.2015.22294; https://repositum.tuwien.at/handle/20.500.12708/5153

Aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten, die in den thermischen Turbomaschinen vorkommen, ist an den Stellen des Wellendurchtrittes aus dem Gehäuse ein gewisser Spalt vorzusehen. Dies führt unvermeidlich zu Leckageverlusten. Um diese Verluste so klein wie möglich zu halten, muss die Welle gegen das Gehäuse abgedichtet werden. Labyrinthdichtungen sind eine gängige Art, um dies zu realisieren. Hierbei wird versucht, durch mehrfache Strömungsbeschleunigung im Bereich der Labyrinthspitzen sowie Verwirbelung in den Labyrinthkammern bei einer bestehenden Druckdifferenz den Leckagemassenstrom zu verringern. Die vorliegende Arbeit behandelt die räumliche (dreidimensionale), stationäre, kompressible, turbulente Strömung durch eine Labyrinthdichtung vom Typ des Durchblicklabyrinths. Zwecks experimenteller Untersuchung wurde der Labyrinthdichtungsprüfstand im Labor des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien zur Verfügung gestellt. Um die vorherrschenden Strömungs-verhältnisse im Prüfstand besser kennenzulernen, wurde eine CFD-Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics) des Strömungsfeldes mit Hilfe des kommerziellen Software-Paketes FLUENT von ANSYS Inc. durchgeführt. Als Turbulenzmodel kam dabei das Realizable k---Modell zum Einsatz und zur Ermittlung der wandnahen Strömung wurde die "Enhanced Wall Treatment"-Methode angewendet. Der Leckagemassenstrom und der Druckverlauf in den Labyrinthkammern des CFD-Modells werden anschließend mit den am Labyrinthprüfstand ermittelten Messwerten verglichen um die Genauigkeit des numerischen Verfahrens zu beurteilen. : In the field of turbomachinery and especially at higher shaft speeds, a small clearance space must exist between shaft and housing. However this leads to a certain massflow leakage. In order to reduce this internal leakage of the working fluid, the space between shaft and housing must be sealed. The Labyrinth seal is one of the most common seal designs for such purposes. The fluid expiriences an acceleration when it enters the constriction (under each tooth) and subsequently a turbulence-viscosity interaction in the cavity that follows. A series of such events allows to achieve a reduction of the massflow leakage at a given pressure difference. This work, based on the commercial CFD-Code (Computation Fluid Dynamics) ANSYS FLUENT, deals with the numerical simulation of the three-dimensional, steady, compressible and turbulent flow in a labyrinth seal test bench, which is located in the laboratory of the Institute for Energy Systems and Thermodynamics at the Vienna Univercity of Technology. The test bench features a straight-trough labyrinth seal and has been used for providing the necessary experimental data for this work. The Realizable k---Model in combination with the "Enhanced Wall Treatment" -approach for the near wall regions were used for turbulence closure. The aim of this thesis is to gain a better understanding of the flow in the labyrinth seal test bench. The computational results for the massflow leakage and the pressure distribution within the labyrinth seal are compared to the experimental results for assessing the the computational model accuracy.