Untersuchungen zur Aerodynamik umfangskonturierter Plattformen in Niederdruckturbinen
Seiten
2011
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-547-1 (ISBN)
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-547-1 (ISBN)
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Sowohl wirtschaftliche als auch politische Gründe motivieren das Bestreben nach effizienteren Flugzeugen und Triebwerken. Der durch den Wettbewerbsdruck hervorgerufene Bedarf, den Brennstoffverbrauch zu reduzieren, entspricht gleichzeitig Forderungen nach höherer Umweltverträglichkeit. Mit der Steigerung des Wirkungsgrades in Verdichter und Turbine können aerodynamische Entwicklungen wesentlich dazu beitragen, insbesondere durch die Beherrschung der komplexen dreidimensionalen Strömungsphänomene. Diese stellt allerdings auch heute noch eine Herausforderung dar. Eine viel versprechende Maßnahme für Niederdruckturbinen bildet die sogenannte Umfangskonturierung oder nicht-axialsymmetrische Konturierung der Plattformen, mit der sich vorliegende Arbeit befasst.
Als Ausgangspunkt dienen zahlreiche Veröffentlichungen über die Physik der Sekundärströmung und mögliche Beeinflussungsmethoden. Trotz der vielen experimentellen Nachweise, theoretischen Überlegungen und numerischen Untersuchungen sind bis jetzt keine allgemeingültigen Gesetzmäßigkeiten der Sekundärströmung formuliert worden, aus denen sich klare Regeln für die aerodynamische Auslegung der Schaufel- und Seitenwandgeometrie ableiten lassen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden mithilfe eines automatisierten Optimierungsverfahrens und 3D-RANS-Simulationen zwei nicht-axialsymmetrisch konturierte Aufbauten einer ebenen Kaskade, zwei Aufbauten einer eineinhalbstufigen Turbine und eine konturierte Variante eines dreistufigen Rigs, sowie zwei konturierte Versionen einer für phänomenologische Untersuchungen konzipierten Wasserkanalturbine definiert. Experimentelle Ergebnisse wurden von Mitarbeitern unterschiedlicher Partneruniversitäten gewonnen. Diese Ergebnisse bestätigen die Umfangskonturierung als effiziente Maßnahme, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen. Die verschiedenen für Niederdruckturbinen relevanten Versuchsträger bilden aber auch eine breite Basis für die Formulierung möglichst allgemeiner Aussagen über Sekundärströmung und Umfangskonturierung.
Zunächst bestätigen die Untersuchungen, dass die Gitterverlustvorhersage der eingesetzten CFD-Verfahren für eine zuverlässige Auslegung aller Anwendungsfälle in allen Betriebspunkten sorgfältig analysiert werden muss. Die Qualität der Vorhersagen nimmt mit sinkender Reynoldszahl ab und kann mit transitionellen Grenzschichteffekten in Zusammenhang gebracht werden. Änderungen numerischer Parameter der Transitionsmodellierung haben einen starken Einfluss auf die berechnete Ausprägung der Sekundärströmung. Somit spielt die Transitionsmodellierung eine Schlüsselrolle in der akkuraten Berechnung der Sekundärströmung.
Um trotz numerischer Ungenauigkeit effiziente Geometrien auslegen zu können, muss die Qualität der numerischen Ergebnisse insgesamt bewertet werden können. Daher werden Kriterien definiert, mit denen die einzelnen, relevanten Strömungsphänomene erkannt und quantifiziert werden können, wodurch sich die Strömung und die Verlustvorhersage interpretieren lassen.
Für die automatisierte Optimierung der Seitenwände werden wichtige Anforderungen und Voraussetzungen für die geometrische Parametrisierung, die Suchalgorithmen selbst und die gesamte Prozesskette identifiziert, mit denen die Effizienz der Auslegung erhöht werden kann. Weiterhin müssen bei der Optimierung eines einzelnen Gitters spezielle Kriterien überwacht werden, um auch eine Verbesserung des Gesamtsystems zu erreichen. Dafür wird eine geeignete Formulierung des Optimierungsproblems vorgestellt.
Um die Definition von effizienten, nicht-axialsymmetrischen Seitenwänden zu beschleunigen sind Auslegungsregeln hilfreich. Zu diesem Zwecke werden für eine Reduktion der Sekundärströmung wesentliche Konturmerkmale genannt. Diese Merkmale werden über wenige relevante Parameter charakterisiert. Die Suche nach Gesetzmäßigkeiten zwischen Eigenschaften optimaler Konturen und Hauptgitterparameter erfordert eine größere Datenbasis aus für Niederdruckturbinen repräsentativen Anwendungsfällen als im Rahmen dieser Arbeit verfügbar sind. Durch die Parameterreduktion wird diese spätere Suche vereinfacht, da die Komplexität der Problemstellung hiermit reduziert wird.
Die Auswirkung der Konturmerkmale auf einzelne charakteristische Phänomene der Sekundärströmung werden mittels ausgewählter Strömungsgrößen quantitativ beschrieben. Die Erarbeitung dieser Zusammenhänge ist eine erste wichtige Etappe auf dem Weg zu Korrelationen zwischen Konturmerkmalen und einzelnen Mechanismen der Verlustentstehung. Allgemeingültige quantitative Zusammenhänge werden allerdings erst mit ausreichend genauen Rechenverfahren möglich sein. Insbesondere Gitterinteraktionen erfordern realitätsnahe instationäre Simulationen. Die vorgestellten phänomenspezifischen Strömungsgrößen bilden allerdings jetzt schon die Basis für systematische Strömungsanalysen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Vertiefung des Verständnisses der Sekundärströmung, der Wirkungsweise von Beeinflussungsmethoden und ihrem effizienten Einsatz in der Turbinenauslegung bei.
Als Ausgangspunkt dienen zahlreiche Veröffentlichungen über die Physik der Sekundärströmung und mögliche Beeinflussungsmethoden. Trotz der vielen experimentellen Nachweise, theoretischen Überlegungen und numerischen Untersuchungen sind bis jetzt keine allgemeingültigen Gesetzmäßigkeiten der Sekundärströmung formuliert worden, aus denen sich klare Regeln für die aerodynamische Auslegung der Schaufel- und Seitenwandgeometrie ableiten lassen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden mithilfe eines automatisierten Optimierungsverfahrens und 3D-RANS-Simulationen zwei nicht-axialsymmetrisch konturierte Aufbauten einer ebenen Kaskade, zwei Aufbauten einer eineinhalbstufigen Turbine und eine konturierte Variante eines dreistufigen Rigs, sowie zwei konturierte Versionen einer für phänomenologische Untersuchungen konzipierten Wasserkanalturbine definiert. Experimentelle Ergebnisse wurden von Mitarbeitern unterschiedlicher Partneruniversitäten gewonnen. Diese Ergebnisse bestätigen die Umfangskonturierung als effiziente Maßnahme, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen. Die verschiedenen für Niederdruckturbinen relevanten Versuchsträger bilden aber auch eine breite Basis für die Formulierung möglichst allgemeiner Aussagen über Sekundärströmung und Umfangskonturierung.
Zunächst bestätigen die Untersuchungen, dass die Gitterverlustvorhersage der eingesetzten CFD-Verfahren für eine zuverlässige Auslegung aller Anwendungsfälle in allen Betriebspunkten sorgfältig analysiert werden muss. Die Qualität der Vorhersagen nimmt mit sinkender Reynoldszahl ab und kann mit transitionellen Grenzschichteffekten in Zusammenhang gebracht werden. Änderungen numerischer Parameter der Transitionsmodellierung haben einen starken Einfluss auf die berechnete Ausprägung der Sekundärströmung. Somit spielt die Transitionsmodellierung eine Schlüsselrolle in der akkuraten Berechnung der Sekundärströmung.
Um trotz numerischer Ungenauigkeit effiziente Geometrien auslegen zu können, muss die Qualität der numerischen Ergebnisse insgesamt bewertet werden können. Daher werden Kriterien definiert, mit denen die einzelnen, relevanten Strömungsphänomene erkannt und quantifiziert werden können, wodurch sich die Strömung und die Verlustvorhersage interpretieren lassen.
Für die automatisierte Optimierung der Seitenwände werden wichtige Anforderungen und Voraussetzungen für die geometrische Parametrisierung, die Suchalgorithmen selbst und die gesamte Prozesskette identifiziert, mit denen die Effizienz der Auslegung erhöht werden kann. Weiterhin müssen bei der Optimierung eines einzelnen Gitters spezielle Kriterien überwacht werden, um auch eine Verbesserung des Gesamtsystems zu erreichen. Dafür wird eine geeignete Formulierung des Optimierungsproblems vorgestellt.
Um die Definition von effizienten, nicht-axialsymmetrischen Seitenwänden zu beschleunigen sind Auslegungsregeln hilfreich. Zu diesem Zwecke werden für eine Reduktion der Sekundärströmung wesentliche Konturmerkmale genannt. Diese Merkmale werden über wenige relevante Parameter charakterisiert. Die Suche nach Gesetzmäßigkeiten zwischen Eigenschaften optimaler Konturen und Hauptgitterparameter erfordert eine größere Datenbasis aus für Niederdruckturbinen repräsentativen Anwendungsfällen als im Rahmen dieser Arbeit verfügbar sind. Durch die Parameterreduktion wird diese spätere Suche vereinfacht, da die Komplexität der Problemstellung hiermit reduziert wird.
Die Auswirkung der Konturmerkmale auf einzelne charakteristische Phänomene der Sekundärströmung werden mittels ausgewählter Strömungsgrößen quantitativ beschrieben. Die Erarbeitung dieser Zusammenhänge ist eine erste wichtige Etappe auf dem Weg zu Korrelationen zwischen Konturmerkmalen und einzelnen Mechanismen der Verlustentstehung. Allgemeingültige quantitative Zusammenhänge werden allerdings erst mit ausreichend genauen Rechenverfahren möglich sein. Insbesondere Gitterinteraktionen erfordern realitätsnahe instationäre Simulationen. Die vorgestellten phänomenspezifischen Strömungsgrößen bilden allerdings jetzt schon die Basis für systematische Strömungsanalysen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Vertiefung des Verständnisses der Sekundärströmung, der Wirkungsweise von Beeinflussungsmethoden und ihrem effizienten Einsatz in der Turbinenauslegung bei.
| Reihe/Serie | Dissertation Premium |
|---|---|
| Zusatzinfo | zahlreiche farbige Abbildungen |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 220 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Flugtriebwerke • nicht-axialsymmetrische Konturierung • Plattform • Seitenwand • Sekundärströmung • Turbine • Umfangskonturierung |
| ISBN-10 | 3-86624-547-5 / 3866245475 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-547-1 / 9783866245471 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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