Untersuchungen zum Betriebsverhalten von Mikrogasturbinen
Seiten
2009
|
1., Auflage
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-458-0 (ISBN)
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-458-0 (ISBN)
- Titel ist leider vergriffen;
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In dieser vorliegenden Abhandlung wird das Betriebsverhalten von Mikro-Fluggasturbinen untersucht. Dabei handelt es sich um kleine Strahltriebwerke mit einem Standschub bis ca. 500 Newton. Es wird erwartet, dass sich das instationäre Betriebsverhalten dieser Triebwerke von dem großer ziviler und militärischer Antriebe unterscheidet. Ausschlaggebend hierfür sind die zu erwartenden Effekte auf Grund von Wärmeeinträgen, Wärmeübergängen, Wärmeleitungen sowie thermisch und mechanisch bedingten Verformungen.
Mikro-Fluggasturbinen werden erst seit etwa 25 Jahren entwickelt und gefertigt. Beachtenswert ist dabei die Tatsache, dass der Fortschritt dieser Triebwerke bisher nicht von großen Triebwerksherstellern vorangetrieben wurde, sondern durch einzelne Privatpersonen, die in ihrer Freizeit dem Hobby des semiprofessionellen RC Modellbaus nachgehen oder sich allgemein der Faszination Gasturbine nicht verschließen können. Der Gedanke eines Jetmodells mit eigenem Turboluftstrahltriebwerk führte anfänglich zu abenteuerlichen Prototypen, die sich jedoch im Laufe der Zeit als verlässliche Antriebe in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen etabliert haben.
Durch eine stetig steigende Nachfrage nach diesen Triebwerken, sowohl im semiprofessionellen RC Modellbau, als auch als Antrieb militärischer Drohnen, entstanden Firmen, welche die Produktion von Mikro-Fluggasturbinen als Serientriebwerk aufnahmen. Schwerpunkt dabei ist die Herstellung zuverlässiger und robuster Antriebe. Themen wie das Betriebsverhalten und auftretende Sekundäreffekte dieser Triebwerke wurden bisher nicht eingehender betrachtet und sind daher das erklärte Ziel der vorliegenden Arbeit.
Für die Untersuchung des Betriebsverhaltens von Mikro-Fluggasturbinen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein eigenständiger Prüfstand für Klein- und Mikrogasturbinen am Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart aufgebaut. Auf die Auslegung und die Funktionsweise dieses Prüfstands wird in dieser Ausarbeitung ebenfalls näher eingegangen.
Die dem Prüfstand zugehörige Messsoftware wurde institutsintern entwickelt. Sie beinhaltet neben der Messwertdarstellung und Messwerterfassung ein Online-Synthese-Modul. Dieses verfügt neben Iterationsroutinen zur Korrektur von Messwerten über die Möglichkeit zur Berechnung nicht messbarer Triebwerksgrößen. Dadurch ist es möglich, den Triebwerkszyklus online abzubilden und darzustellen.
Der Versuchsträger ist ein kommerziell erhältliches Modellstrahltriebwerk im Schubbereich bis 230 Newton. Es repräsentiert den für die Schubklasse charakteristischen Aufbau als einwelliges Turboluftstrahltriebwerk mit einstufigem Radialverdichter und einstufiger Axialturbine.
Sowohl die Problematik der Instrumentierung dieser miniaturisierten Strahltriebwerke, wie auch die daraus resultierenden Messfehler werden eingehend betrachtet. Zur Untersuchung der Einflüsse von Sekundäreffekten auf das transiente Betriebsverhalten des Versuchsträgers werden vorgegebene Lastwechselmanöver durchfahren, die auch für die Zulassung moderner ziviler Turboluftstrahltriebwerke ausschlaggebend sind. Ergänzend zu den Prüfstandsversuchen wird zur Erkennung auftretender Sekundäreffekte ein stationäres und transientes Leistungsrechnungsmodell des Triebwerks herangezogen. Dieses wird als Design und Off-Design Rechnung erstellt und dient weiterhin zur Bewertung der erzielten Ergebnisse. Parallel dazu werden stationär und transient gerechnete CFD und FEM Simulationen für das Gesamttriebwerk sowie für einzelne Komponenten durchgeführt. Die dadurch erzielten numerischen Ergebnisse erlauben eine Quantifizierung der auftretenden Sekundäreffekte und deren Einflüsse auf das Betriebsverhalten.
Unter Berücksichtigung aller durchgeführten Versuche und Simulationen, erhält man eine Übersicht der wichtigsten Sekundäreffekte und ihre Auswirkungen auf das Betriebs- bzw. Leistungsverhalten des Triebwerks. Dabei zeigt sich, dass Mikrogasturbinen durch ihre einfache und kompakte Bauweise ein agiles Thermalverhalten aufweisen. Im Vergleich zu Sekundäreffekten wie Spaltänderungen oder Rotorträgheit wird das Betriebsverhalten dieser Triebwerke durch die Effekte von Wärmeeinträgen dominiert.
Mikro-Fluggasturbinen werden erst seit etwa 25 Jahren entwickelt und gefertigt. Beachtenswert ist dabei die Tatsache, dass der Fortschritt dieser Triebwerke bisher nicht von großen Triebwerksherstellern vorangetrieben wurde, sondern durch einzelne Privatpersonen, die in ihrer Freizeit dem Hobby des semiprofessionellen RC Modellbaus nachgehen oder sich allgemein der Faszination Gasturbine nicht verschließen können. Der Gedanke eines Jetmodells mit eigenem Turboluftstrahltriebwerk führte anfänglich zu abenteuerlichen Prototypen, die sich jedoch im Laufe der Zeit als verlässliche Antriebe in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen etabliert haben.
Durch eine stetig steigende Nachfrage nach diesen Triebwerken, sowohl im semiprofessionellen RC Modellbau, als auch als Antrieb militärischer Drohnen, entstanden Firmen, welche die Produktion von Mikro-Fluggasturbinen als Serientriebwerk aufnahmen. Schwerpunkt dabei ist die Herstellung zuverlässiger und robuster Antriebe. Themen wie das Betriebsverhalten und auftretende Sekundäreffekte dieser Triebwerke wurden bisher nicht eingehender betrachtet und sind daher das erklärte Ziel der vorliegenden Arbeit.
Für die Untersuchung des Betriebsverhaltens von Mikro-Fluggasturbinen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein eigenständiger Prüfstand für Klein- und Mikrogasturbinen am Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart aufgebaut. Auf die Auslegung und die Funktionsweise dieses Prüfstands wird in dieser Ausarbeitung ebenfalls näher eingegangen.
Die dem Prüfstand zugehörige Messsoftware wurde institutsintern entwickelt. Sie beinhaltet neben der Messwertdarstellung und Messwerterfassung ein Online-Synthese-Modul. Dieses verfügt neben Iterationsroutinen zur Korrektur von Messwerten über die Möglichkeit zur Berechnung nicht messbarer Triebwerksgrößen. Dadurch ist es möglich, den Triebwerkszyklus online abzubilden und darzustellen.
Der Versuchsträger ist ein kommerziell erhältliches Modellstrahltriebwerk im Schubbereich bis 230 Newton. Es repräsentiert den für die Schubklasse charakteristischen Aufbau als einwelliges Turboluftstrahltriebwerk mit einstufigem Radialverdichter und einstufiger Axialturbine.
Sowohl die Problematik der Instrumentierung dieser miniaturisierten Strahltriebwerke, wie auch die daraus resultierenden Messfehler werden eingehend betrachtet. Zur Untersuchung der Einflüsse von Sekundäreffekten auf das transiente Betriebsverhalten des Versuchsträgers werden vorgegebene Lastwechselmanöver durchfahren, die auch für die Zulassung moderner ziviler Turboluftstrahltriebwerke ausschlaggebend sind. Ergänzend zu den Prüfstandsversuchen wird zur Erkennung auftretender Sekundäreffekte ein stationäres und transientes Leistungsrechnungsmodell des Triebwerks herangezogen. Dieses wird als Design und Off-Design Rechnung erstellt und dient weiterhin zur Bewertung der erzielten Ergebnisse. Parallel dazu werden stationär und transient gerechnete CFD und FEM Simulationen für das Gesamttriebwerk sowie für einzelne Komponenten durchgeführt. Die dadurch erzielten numerischen Ergebnisse erlauben eine Quantifizierung der auftretenden Sekundäreffekte und deren Einflüsse auf das Betriebsverhalten.
Unter Berücksichtigung aller durchgeführten Versuche und Simulationen, erhält man eine Übersicht der wichtigsten Sekundäreffekte und ihre Auswirkungen auf das Betriebs- bzw. Leistungsverhalten des Triebwerks. Dabei zeigt sich, dass Mikrogasturbinen durch ihre einfache und kompakte Bauweise ein agiles Thermalverhalten aufweisen. Im Vergleich zu Sekundäreffekten wie Spaltänderungen oder Rotorträgheit wird das Betriebsverhalten dieser Triebwerke durch die Effekte von Wärmeeinträgen dominiert.
| Reihe/Serie | Dissertation Premium ; 1558 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 240 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Betriebsverhalten • Hardcover, Softcover / Technik/Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik • Mikrogasturbine • Modellstrahlturbine |
| ISBN-10 | 3-86624-458-4 / 3866244584 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-458-0 / 9783866244580 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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