Hüwener, Thomas:

Numerische Untersuchung der instationären Strömung in einem zweistufigen Turbinenradgaszähler

Essen (2001)
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dissertation
Abstract:
Der Anteil des Erdgases am Primärenenergieverbrauch der Bundesrepublik Deutschland beträgt derzeit etwa 21%. Angesichts dieses hohen Betrages kommt der exakten Messung und Abrechung von Gasmengen heutzutage eine große wirtschaftliche Bedeutung zu. Mit dem Ziel die Meßgenauigkeit eines bestehenden Zählers zu erhöhen, wird in dieser Arbeit ein zweistufiger Turbinenradgaszähler mit Hilfe numerischer Methoden fluiddynamisch untersucht. Der Fortran basierte, parallelisierte Quellcode des Strömungslösers ACHIEVE wurde zur Berechnung turbulenter Strömungen mit bewegten Geometrien weiterentwickelt und an dokumentierten Testfällen verifiziert. Desweiteren wurde der Strömungslöser Fluent zur Berechnung der instationären turbulenten Strömungen verwendet. Eine umfangreiche zweidimensionale Analyse der Umströmung des Laufrades in der ersten Stufe des Turbinenradgaszählers zeigt Wirbelstrukturen an der Abströmkante, die eine von der Reynolds-Zahl abhängige Umströmung des ersten Rotors verursachen. Im Bezug auf die Praxis wurde diese Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl als der sogenannte Hochdruckversatz des Turbinenradgaszählers identifiziert. Diese Ausgabe wurde sowohl durch die Ergebnisse dreidimensionaler Simulationen als auch experimentell bestätigt. Eine detailierte Betrachtung der Stator / Rotor Interaktionen, besonders in der zweiten Stufe des Zählers, dokumentiert die Auswirkungen des Statornachlaufes auf die Umströmung des stromabwärtigen Rotors, die zu starken instationären Schwankungen der Schaufelkräfte führen. Eine modifizierte Konstruktion des zweiten Stators reduziert laut Simulation die Amplituden der instationären Schaufelkräfte um etwa 47% und bewirkt in der Praxis eine erhöhte Linearität der Fehlerkurve sowie eine Steigerung der Meßgenauigkeit. Eine DFT-Analyse der instationären Schaufelbelastungen bestätigt die im Patent vorausgesetzte fluiddynamische Entkopplung der beiden Laufräder des Zählers. Neben den zweidimensionalen Betrachtungen wurden dreidimensionale Simulationen der ersten Stufe des Turbinenradgaszählers durchgeführt. Sie bestätigen die zweidimenionalen Ergebnisse und dokumentieren darüberhinaus die Dreidimensionalität der Strömung. Die feine Auflösung der Geometrie erlaubt sogar die Analyse der Strömung im Spalt zwischen Schaufelspitze des Laufrades und dem Zählergehäuse. Die Spaltströmung bildet sich ähnlich einer Couette-Strömung aus und wird nicht signifikant durch die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Schaufel beeinflußt. Die Grenzgeschichten an Nabe und Gehäuse sogen für eine radial variierende Anströmung des Rotors und offenbaren weitere Optimierungsmöglichkeiten der Laufradkonstruktion. Die Analyse der Quergeschwindigkeiten im Zähler zeigt auf, daß vor Allem der Nachlauf des Stators und nicht etwa die Querschnittsverengung des Verdrängungskörpers zu Sekundärströmungen führen, die eine zeitlich periodische Schwankung der Anströmung des Rotors verursachen.