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Experimental und theoretical investigations into the influence of rotation on the flow rate and heat transmission in shaft ducts and labyrinth seals Final report / Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Einfluss der Rotation auf Durchfluss und Waermeuebergang in Wellendurchfuehrungen und Labyrinthdichtungen Abschlussbericht

Authors
  • Wittig, S.
  • Kim, S.
  • Waschka, W.
  • Scherer, T.
  • univ., karlsruhe
  • Forschungsvereinigung Verbrennungskraftm...
Publication Date
Jan 01, 1990
Source
OpenGrey Repository
Keywords
Language
German
License
Unknown

Abstract

The flow behavior and heat transfer as influenced by the rotation of shaft ducts, look-through type, divergent and convergent stepped labyrinth seals was analyzed experimentally and numerically. The investigations were conducted on scaled-up models within a wide range of Taylor numbers and Reynolds-numbers. The pressure ratio, gap width and geometry were varied as test parameters. The gap width was detected under operating conditions by means of a high-precision capacitive transducer. The maximum circumferential speed of labyrinth tips was 160 m/s, the maximum gas temperature was 350 C and the maximum pressure ratio was 2.2. For numerical simulation of the influence of rotation, using the standard k-#epsilon# model, a computing program was developed for compressible, viscous and rotational flows involving separation and heat transfer. For heat transfer calculations the experimentally determined temperature conditions on the cooling sides of the labyrinth components were specified and the calculation area was extended to the labyrinth walls. Furthermore, an efficient field solver was developed to permit stable and fast calculation of the elliptical problem. The results obtained from measurements and calculations were presented in the form of performance maps, and the influence of rotation was summarized in simple to use correlations. A comparison of measurements and calculations provides a very good correlation for the flow factors. Although, with respect to the influence of rotation on heat transfer, some configurations still show minor deviations, the qualitative influence of rotation for all configurations of measurements and calculations is in general represented with excellent correlation. In the process, the momentum ratio described in the format Ta/Re proved to be the decisive characteristic. The investigations demonstrate a significant influence of rotation both on the flow behavior as well as - to an even higher degree - on heat transfer. For example, an improvement of sealing performance by 50% and an increase in heat transfer by up to 900% were determined both experimentally and numerically. In the process, the numerical investigations significantly contribute to an understanding of the complex flow and heat transfer processes in labyrinth seals, enabling a more reliable design of advanced labyrinth types. (orig.) / Das Durchflussverhalten und der Waermeuebergang unter dem Einfluss der Rotation von Wellendurchfuehrungen, Durchblick-, divergenten und konvergenten Stufenlabyrinthdichtungen und Kammnut-Labyrinthdichtungen wurde experimentell und numerisch analysiert. Die Untersuchungen wurden an vergroesserten Modellen in einem weiten Taylor- und Reynoldszahlbereich durchgefuehrt. Als Versuchsparameter wurden ferner das Druckvehaeltnis, die Spaltweite und die Geometrie variiert. Die Spaltweite wurde mit einem hochgenauen kapazitiven Messaufnehmer unter Betriebsbedingungen erfasst. Die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Labyrinthspitzen betrug 160 m/s, die maximale Gastemperatur betrug 350 C und das maximale Druckverhaeltnis lag bei 2,2. Zur numerischen Simulation des Rotationseinflusses wurde unter Benutzung des Standard k-#epsilon# Modelles ein Rechenprogramm fuer kompressible, reibungs-und drallbehaftete Stroemungen mit Abloesung und Waermeuebergang erstellt. Fuer die Berechnung des Waermeueberganges wurden die experimentell ermittelten Temperaturrandbedingungen auf den Kuehlseiten der Labyrinthkomponenten vorgegeben und das Rechengebiet entsprechend auf die Labyrinthwaende ausgedehnt. Zur stabilen und schnellen Berechnung des elliptischen Problems wurde im weiteren ein effizienter Feldloeser entwickelt. Die Ergebnisse aus Messung und Rechnung werden in Form von Kennfeldern dargestellt und der Rotationseinfluss in einfach anwendbaren Korrelationen zusammengefasst. Der Vergleich von Messung und Rechnung ergibt bei den Durchflussbeiwerten eine sehr gute Uebereinstimmung. Fuer den Rotationseinfluss auf den Waermeuebergang treten zwar bei einigen Konfigurationen noch geringe Abweichungen auf, grundsaetzlich wird jedoch der qualitative Rotationseinfluss bei allen Konfigurationen von Messung und Rechnung mit ausgezeichneter Uebereinstimmung wiedergegeben. Als massgebende Kennzahl zur Beschreibung des Rotationseinflusses erwies sich hierbei das Impulsverhaeltnis, das in der Form Ta/Re beschrieben wird. Die Untersuchungen weisen einen deutlichen Einfluss der Rotation sowohl auf das Durchflussverhalten, als auch -in noch staerkerem Mass - auf den Waermeuebergang nach. So konnte eine Verbesserung des Dichtverhaltens um bis zu 50% und ein Anstieg im Waermeuebergang um bis zu 900% experimentell und numerisch ermittelt werden. Dabei tragen die numerischen Untersuchungen wesentlich zum Verstaendnis der komplexen Stroemungs- und Waermeuebergangsvorgaenge in Labyrinthdichtungen bei und ermoeglichen eine zuverlaessigere Auslegung moderner Labyrinthbauformen. (orig.) / Available from TIB Hannover: RA 1581(469) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische Informationsbibliothek / SIGLE / DE / Germany

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