Untersuchungen zum Betriebsverhalten gemischter Abgassysteme in Luftstrahltriebwerken im niedrigen Lastbereich
Seiten
2009
|
1., Auflage
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-462-7 (ISBN)
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-462-7 (ISBN)
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In der vorliegenden Arbeit wird das Betriebsverhalten gemischter Abgassysteme in Luftstrahltriebwerken über den gesamten Betriebsbereich eines Triebwerks untersucht. Die auftretenden Strömungsphänomene werden sowohl anhand experimenteller Untersuchungen als auch anhand numerischer Simulationen dargestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Abhängigkeit der Strömungsphänomene von den Randbedingungen des Abgassystems. Aus den Ergebnissen wird eine Modellierung des Abgassystems für die Leistungsrechnung abgeleitet.
Die Mischung der Teilströme ist von der Intensität der auftretenden Wirbelstrukturen bestimmt. Die Wirbelstrukturen und damit der Mischungsgrad sind maßgebend von dem Geschwindigkeitsverhältnis der Teilströme und somit vom dem Totaldruckverhältnis am Mischereintritt abhängig. Für die auf die Kelvin-Helmholtz Scherinstabilitäten zurückgehende Mischung an einer ebenen Platte nimmt mit zunehmendem Geschwindigkeitsverhältnis die Ausbreitung der Mischzone zu. Die durch Mischung der Teilströme an einer Trennplatte in Form einer Blütenkontur zusätzlich auftretenden strömungsgerichteten Wirbel erhöhen den Mischungsgrad. Allerdings nimmt der Einfluss der strömungsgerichteten Wirbel auf die Mischung mit zunehmendem Geschwindigkeitsverhältnis der Teilströme ab. Für große Geschwindigkeitsverhältnisse ist die Erhöhung des Mischungsgrades gegenüber der Mischung an der ebenen Platte vielmehr auf die größere Fläche der Scherschicht zurückzuführen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Annahme eines konstanten Mischungsgrades über den gesamten Betriebsbereich eines Triebwerks nicht zutreffend ist. Um die Abhängigkeit von den Geschwindigkeiten der Teilströme zu erfassen, muss die Mischungseffektivität als Funktion des Totaldruckverhältnisses am Mischereintritt und des Düsendruckverhältnisses hinterlegt werden. Der Mischungsgrad von Kernstrom und Nebenstrom ist unterschiedlich.
Die Untersuchungen an Wasserkanal und Windkanal zeigen auch bei großen Werten des Geschwindigkeitsverhältnisses der Teilströme keine Umströmung der Hinterkante der Trennplatte. Die Kutta`sche Abflussbedingung ist über den gesamten Betriebsbereich erfüllt. Die im Rahmen der Leistungsrechnung getroffene Annahme statischen Druckausgleichs in der Mischebene ist folglich grundsätzlich korrekt. Die experimentell und numerisch nachgewiesenen geringen Abweichungen des Verhältnisses der mittleren statischen Drücke der Teilströme in der Mischebene von eins ist auf Ungleichförmigkeiten des statischen Druckes in der Mischebene zurückzuführen. Das sich einstellende statische Druckverhältnis in der Mischebene ist abhängig vom Totaldruckverhältnis am Mischereintritt, von dem Düsendruckverhältnis und der Mischergeometrie. Werden die Abweichungen des sich einstellenden statischen Druckverhältnisses von eins bei der Berechnung des Abgassystems mit den Methoden der Leistungsrechnung nicht berücksichtigt, so wird das Durchsatzverhalten und damit das Nebenstromverhältnis nicht korrekt vorausgesagt. Sowohl bei den experimentellen, als auch bei den numerischen Untersuchungen konnten Betriebspunkte realisiert werden, bei denen der Totaldruck des langsameren Teilstroms am Mischereintritt unterhalb des Umgebungsdruckes lag. Übertragen auf das Triebwerk bedeutet dies, dass Totaldrücke des Kernstroms am Mischereintritt und damit am Austritt der Niederdruckturbine unterhalb des Umgebungsdruckes realistisch sind. Voraussetzung dafür ist allerdings eine vollständige Mischung des Kernstroms.
Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Abbildung des Betriebsverhaltens des Abgassystems in der Leistungsrechnung basiert auf dem Dreistrommodell. Die Mischungsgrade der Teilströme werden direkt aus den Massenstromanteilen am Düsenaustritt bestimmt. Neben den Mischungsgraden der Teilströme und den Düsenkoeffizienten wird zur Abbildung des Abgassystems ein weiterer Koeffizient zur Berücksichtigung der realen Massenstromaufteilung eingeführt. Dieser Koeffizient setzt das geometrische Flächenverhältnis in der Mischebene zu dem effektiven Flächenverhältnis in Bezug, für das bei der Referenzrechnung das reale Nebenstromverhältnis erreicht wird. Für die Referenzrechnung wird dabei ein Verhältnis des statischen Druckes in der Mischebene von eins angenommen. Mit dem Koeffizienten zur Berücksichtigung der realen Massenstromaufteilung werden die Abweichung des statischen Druckverhältnisses der Teilströme in der Mischebene von eins und die unterschiedlichen Durchsatzkoeffizienten in der Mischebene berücksichtigt.
Zur Untersuchung des Einflusses auf das berechnete Betriebsverhalten werden Modelle des Abgassystems mit und ohne den Koeffizienten zur Berücksichtigung der realen Massenstromaufteilung verglichen. Die berechneten Abweichungen von Massenstrom und Nebenstromverhältnis des Gesamttriebwerks durch die unterschiedliche Modellierung des Abgassystems ist selbst im niedrigen Teillastbereich gering. Im Triebwerksmodell bewirkt das geänderte Durchsatzverhalten des Abgassystems eine Verschiebung der Arbeitslinien in den Kennfeldern der Turbokomponenten. Das Durchsatzverhalten ist durch die Turbokomponenten geprägt. Eine durch die Modellierung bedingte Reduktion des berechneten Massenstroms des Kernstroms wird größtenteils durch eine Erhöhung des Totaldruckes des Kernstroms am Mischereintritt ausgeglichen. Die zur Beurteilung des Wiederzündverhaltens des Triebwerks relevanten Abweichungen des vorhergesagten Massenstroms und des Totaldruckes in der Brennkammer im Windmillingbetrieb liegen, abhängig von der Flugmachzahl, bei maximal 2,5 Prozent. Auch die maximale Abweichung des berechneten Widerstandsverhaltens des Triebwerks im Windmilling liegt in dieser Größenordnung.
Die Mischung der Teilströme ist von der Intensität der auftretenden Wirbelstrukturen bestimmt. Die Wirbelstrukturen und damit der Mischungsgrad sind maßgebend von dem Geschwindigkeitsverhältnis der Teilströme und somit vom dem Totaldruckverhältnis am Mischereintritt abhängig. Für die auf die Kelvin-Helmholtz Scherinstabilitäten zurückgehende Mischung an einer ebenen Platte nimmt mit zunehmendem Geschwindigkeitsverhältnis die Ausbreitung der Mischzone zu. Die durch Mischung der Teilströme an einer Trennplatte in Form einer Blütenkontur zusätzlich auftretenden strömungsgerichteten Wirbel erhöhen den Mischungsgrad. Allerdings nimmt der Einfluss der strömungsgerichteten Wirbel auf die Mischung mit zunehmendem Geschwindigkeitsverhältnis der Teilströme ab. Für große Geschwindigkeitsverhältnisse ist die Erhöhung des Mischungsgrades gegenüber der Mischung an der ebenen Platte vielmehr auf die größere Fläche der Scherschicht zurückzuführen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Annahme eines konstanten Mischungsgrades über den gesamten Betriebsbereich eines Triebwerks nicht zutreffend ist. Um die Abhängigkeit von den Geschwindigkeiten der Teilströme zu erfassen, muss die Mischungseffektivität als Funktion des Totaldruckverhältnisses am Mischereintritt und des Düsendruckverhältnisses hinterlegt werden. Der Mischungsgrad von Kernstrom und Nebenstrom ist unterschiedlich.
Die Untersuchungen an Wasserkanal und Windkanal zeigen auch bei großen Werten des Geschwindigkeitsverhältnisses der Teilströme keine Umströmung der Hinterkante der Trennplatte. Die Kutta`sche Abflussbedingung ist über den gesamten Betriebsbereich erfüllt. Die im Rahmen der Leistungsrechnung getroffene Annahme statischen Druckausgleichs in der Mischebene ist folglich grundsätzlich korrekt. Die experimentell und numerisch nachgewiesenen geringen Abweichungen des Verhältnisses der mittleren statischen Drücke der Teilströme in der Mischebene von eins ist auf Ungleichförmigkeiten des statischen Druckes in der Mischebene zurückzuführen. Das sich einstellende statische Druckverhältnis in der Mischebene ist abhängig vom Totaldruckverhältnis am Mischereintritt, von dem Düsendruckverhältnis und der Mischergeometrie. Werden die Abweichungen des sich einstellenden statischen Druckverhältnisses von eins bei der Berechnung des Abgassystems mit den Methoden der Leistungsrechnung nicht berücksichtigt, so wird das Durchsatzverhalten und damit das Nebenstromverhältnis nicht korrekt vorausgesagt. Sowohl bei den experimentellen, als auch bei den numerischen Untersuchungen konnten Betriebspunkte realisiert werden, bei denen der Totaldruck des langsameren Teilstroms am Mischereintritt unterhalb des Umgebungsdruckes lag. Übertragen auf das Triebwerk bedeutet dies, dass Totaldrücke des Kernstroms am Mischereintritt und damit am Austritt der Niederdruckturbine unterhalb des Umgebungsdruckes realistisch sind. Voraussetzung dafür ist allerdings eine vollständige Mischung des Kernstroms.
Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Abbildung des Betriebsverhaltens des Abgassystems in der Leistungsrechnung basiert auf dem Dreistrommodell. Die Mischungsgrade der Teilströme werden direkt aus den Massenstromanteilen am Düsenaustritt bestimmt. Neben den Mischungsgraden der Teilströme und den Düsenkoeffizienten wird zur Abbildung des Abgassystems ein weiterer Koeffizient zur Berücksichtigung der realen Massenstromaufteilung eingeführt. Dieser Koeffizient setzt das geometrische Flächenverhältnis in der Mischebene zu dem effektiven Flächenverhältnis in Bezug, für das bei der Referenzrechnung das reale Nebenstromverhältnis erreicht wird. Für die Referenzrechnung wird dabei ein Verhältnis des statischen Druckes in der Mischebene von eins angenommen. Mit dem Koeffizienten zur Berücksichtigung der realen Massenstromaufteilung werden die Abweichung des statischen Druckverhältnisses der Teilströme in der Mischebene von eins und die unterschiedlichen Durchsatzkoeffizienten in der Mischebene berücksichtigt.
Zur Untersuchung des Einflusses auf das berechnete Betriebsverhalten werden Modelle des Abgassystems mit und ohne den Koeffizienten zur Berücksichtigung der realen Massenstromaufteilung verglichen. Die berechneten Abweichungen von Massenstrom und Nebenstromverhältnis des Gesamttriebwerks durch die unterschiedliche Modellierung des Abgassystems ist selbst im niedrigen Teillastbereich gering. Im Triebwerksmodell bewirkt das geänderte Durchsatzverhalten des Abgassystems eine Verschiebung der Arbeitslinien in den Kennfeldern der Turbokomponenten. Das Durchsatzverhalten ist durch die Turbokomponenten geprägt. Eine durch die Modellierung bedingte Reduktion des berechneten Massenstroms des Kernstroms wird größtenteils durch eine Erhöhung des Totaldruckes des Kernstroms am Mischereintritt ausgeglichen. Die zur Beurteilung des Wiederzündverhaltens des Triebwerks relevanten Abweichungen des vorhergesagten Massenstroms und des Totaldruckes in der Brennkammer im Windmillingbetrieb liegen, abhängig von der Flugmachzahl, bei maximal 2,5 Prozent. Auch die maximale Abweichung des berechneten Widerstandsverhaltens des Triebwerks im Windmilling liegt in dieser Größenordnung.
| Reihe/Serie | Dissertation Classic ; 1562 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 170 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Abgassystem • Betriebsverhalten • Hardcover, Softcover / Technik/Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik • Luftstrahltriebwerk • Mischer |
| ISBN-10 | 3-86624-462-2 / 3866244622 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-462-7 / 9783866244627 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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