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CFD-Berechnung an Labyrinthdichtungen

Für die CFD-Berechnung an Labyrinthspaltdichtungen wurden sowohl 2D-, als auch 3D-Geometrien im Rahmen einer CFD-Parameterstudie betrachtet. Bei dieser Dichtungsart handelt es sich um eine berührungslose Dichtung. Dabei beruht die Dichtwirkung auf einer Verlängerung des Strömungswegs durch den abzudichtenden Spalt. Sie werden üblicherweise in nahezu allen Arten von Turbomaschinen eingesetzt und trennen somit Bereiche unterschiedlichen Drucks  voneinander. Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie mittels CFD-Berechnung die Funktion und die Qualität Ihrer Produkte verbessern können.

CFD-Parameterstudie einer Labyrinthdichtung

Aufgrund langer Simulationszeiten, die bei der turbulenten CFD-Analyse am 3D-Modell zu erwarten sind, wird zunächst eine CFD-Parameterstudie an einer 2D-Geometrie mit einer Kammer durchgeführt. Anschließend wird ein CFD-Modell der 3D-Strömungsgeometrie analysiert, welches ebenfalls die Wandrotation berücksichtigt.

Am einfachen CFD-Modell werden Druckverluste und Strömungsgeschwindigkeiten unter Annahme eines Turbulenzwerts von 5 % und einer Eintrittsgeschwindigkeit von 5 m/s untersucht.

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2D-Modell einer Labyrinthdichtung mit 3 Kammern
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2D-Modell einer Labyrinthdichtung mit einer Kammer

Unter Verwendung des entsprechenden Solvers ist nicht nur ein realistisches Strömungsverhalten, sondern auch eine entsprechende Dichteänderung der eintretenden Luft zu erkennen. Im nächsten Schritt der CFD-Parameterstudie wird nun ein CFD-Modell des zweidimensionalen Querschnitts einer Labyrinthdichtung mit 3 Kammern aufgebaut und untersucht.

CFD-Analyse am dreidimensionalen Modell einer Labyrinthspaltdichtung

Zur Betrachtung der Strömung am 3D-Modell muss bei der CFD-Berechnung ebenfalls die Rotation der Welle, und somit der Drall des Strömungsfelds mitberücksichtigt werden. Hierfür wird vereinfachend von einer Formulierung der Randbedingung als rotierende Wand ausgegangen. Die Ergebnisse der CFD-Berechnung stellen sowohl Wellenrotation und die entsprechenden Drücke bzw. Geschwindigkeiten an den Querschnitten der Kammern, als auch den Umlauf der Über- und Unterdruckgebieten in der Dreikammer- Geometrie korrekt dar.

3D-CFD-Anaylse einer Lybyrinthdichtung (Dreispalt)
3D-CFD-Simulation einer Dreispalt-Labyrinthdichtung mit Berücksichtigung des rotierenden Strömungsfelds

Je nach Umdrehungszahlen und Eintrittsgeschwindigkeiten des Fluids entstehen hier bei einer möglichst realitätsgetreuen Abbildung enorme Rechenzeiten. Allerdings können, wie diese Parameterstudie zeigt, auch anhand einer vereinfachten CFD-Simulation wichtige Erkenntnisse über das Strömungsverhalten in Labyrinthdichtungen gewonnen werden.

Weiteres Beispielprojekt für die numerische Strömungssimulation:

Wenn es darum geht, Strömungseffekte in und um Bauteile im Rahmen Ihres Projektes abzubilden, helfen wir Ihnen gerne weiter. Informieren Sie sich über unser Dienstleistungsangebot und fordern Sie noch heute ein kostenloses und unverbindliches Angebot an !