Kennwertermittlung und Systemanalyse des thermo-mechanischen Verhaltens von Turbomaschinenkomponenten
Seiten
2006
|
1., Aufl.
dissertation.de (Verlag)
978-3-86624-190-9 (ISBN)
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978-3-86624-190-9 (ISBN)
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In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Berechnung von radialen Turbomaschinen-Laufspalten (Spitzenspalten) innerhalb von Leistungsrechnungsprogrammen für Turboflugtriebwerke vorgestellt. Bei entsprechender Anpassung der Ähnlichkeitskennfelder der Turbomaschinenermöglicht die Anwendung des Verfahrens die Berechnung des Betriebsverhaltens unter Berücksichtigung von Spitzenspaltänderungen. Das Verfahren wurde anhand von thermo-mechanischen Finite-Element-Modellen der Turbomaschinen Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine des Rolls-Royce Triebwerks BR710 entwickelt und validiert.
Ausgangspunkt für die Arbeiten ist ein bewährtes Leistungsrechnungsprogramm zur Simulation des Betriebsverhaltens von Triebwerken mit nominalen Spitzenspalten unter Berücksichtigung der Effekte von Rotorträgheit, Volumenaufstau in den Komponenten und Wärmeausgleichsprozessen zwischen Triebwerksbauteilen und Arbeitsgas. Als Grundlage für die rechnerische Erfassung der wechselseitigen Beziehung zwischen Kreisprozess und Spitzenspaltänderungen werden die Prozessschnittstellen durch eine eingehende Systemanalyse beschrieben. Die Modellierung der Spitzenspaltänderungen erfolgt über Zustandsraummodelle. Dies ermöglicht eine schnelle rechnerische Simulation und erfüllt somit eine wichtige Voraussetzung zur Berücksichtigung von Spitzenspaltänderungen innerhalb von Leistungsrechnungsprogrammen. Die Spitzenspalt-Zustandsraummodelle werden unter Anwendung der Theorie der Identifikation dynamischer Systeme von thermo-mechanischen Finite-Element-Modellen der Turbomaschinen abgeleitet.
Für die Zustandsraummodellierung werden die Spitzenspalte in thermal und mechanisch bedingte Anteile aufgespalten und in Abhängigkeit des thermalen und des mechanischen Zustands der modellierten Baugruppe in Kennfeldern niedergelegt. Der mechanische Zustand wird durch die Drehzahl der Komponente und den im Gaskanal herrschenden Druck bestimmt. Der Thermalzustand wird mit der Temperatur des anliegenden Arbeitsgases und im Falle von gekühlten Komponenten zusätzlich mit der Kühllufttemperatur korreliert. Das Antwortverhalten des Thermalzustands auf Änderungen in der Gastemperatur wird in Abhängigkeit der wirkenden Wärmeübergangszahl über Kennfelder charakterisiert. Die an den Prozessschnittstellen zu übergebenden Parameter sind so definiert, dass diese bei der Leistungsrechnung aus ohnehin berechneten Größen wie Totaltemperaturen und Durchsätzen bestimmt werden können.
Die Validierung des Verfahrens erfolgt durch den Vergleich von Spitzenspaltvorhersagen der Zustandsraummodelle mit entsprechenden Simulationsergebnissen der Finite-Element-Modelle. Als Testfälle werden stationäre Betriebszustände und schnelle Lastwechselvorgänge bei unterschiedlichen Flugbedingungen verwendet. Die Vorhersagen des Verdichtermodells sind hinreichend genau; die maximal beobachteten auf die Schaufelhöhe bezogenen Fehler in den berechneten Spitzenspaltänderungen treten nach einer schnellen Triebwerksbeschleunigung von Leerlaufauf Volllastbedingungen auf und betragen weniger als 0.1 %. Aufgrund der sekundären Bedeutung der Spitzenspaltänderungen während transienter Vorgänge für das Betriebsverhalten von Flugtriebwerken sind Fehler dieser Größenordnung akzeptabel. Die Vorhersagefehler des Turbinenmodells im dynamischen Betrieb sind größer als die des Verdichtermodells. Insbesondere die Teilmodelle der Turbinenscheiben zeigen während schneller Lastwechselvorgänge Abweichungen in der Größenordung von bis zu 0.25 % bezogen auf die Schaufelhöhe. Daraus wird gefolgert, dass sich das komplexe Systemverhalten einer zweistündigen gekühlten Hochdruckturbine hinsichtlich von Spitzenspaltänderungen nur unter Einbuße von Genauigkeit über Zustandsraummodelle mit wenigen Eingangs- und Zustandsgrößen abbilden lässt.
Das bestehende Leistungsrechnungsprogramm des Rolls-Royce Triebwerks BR710 wird unter Beibehaltung des modularen Aufbaus zur Berücksichtigung von Spitzenspaltänderungen erweitert. Bei der instationären Leistungsrechnung werden der thermale und mechanische Zustand von Bauteilen, die für die Spitzenspaltberechnung relevant sind, über vorab ermittelte Kennfelder bestimmt und die sich ergebenden Spaltänderungen überlagert. Der Einfluss der Spitzenspaltänderungen auf das Verhalten der Turbomaschinen fließt über vorhandene, teilweise experimentell bestimmte, Beziehungen in die Leistungsrechnung ein.
Die Eignung des Verfahrens zur Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit von Leistungsrechnungsprogrammen wird durch die Nachrechnung einer Triebwerksbeschleunigung und den Vergleich der Simulationsergebnisse mit Triebwerksmessungen gezeigt. Die simulierten Verläufe der Verdichtergrößen Druckverhältnis, Durchsatzparameter und Pumpgrenzenabstand stimmen weitgehend mit Triebwerksmessungen überein. Die genaueren Vorhersagen des verfügbaren Pumpgrenzenabstands, die das erweiterte Leistungsrechnungsprogramm ermöglicht, können beispielsweise zur frühzeitigen Optimierung des thermischen Verhaltens des Hochdruckverdichters oder zur effizienten Durchführung von Versuchen zur Bestimmung der Pumpgrenze beitragen. Die Simulation der Niederdruckturbinen-Eintrittstemperatur stimmt qualitativ mit Triebwerksmessungen überein, wobei die simulierte Höhe des Überschwingers niedriger als der Messwert ausfällt. Eine Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit der Turbineneintrittstemperaturen kann zur besseren Vorhersage von Testzielen für die Triebwerkszulassung genutzt werden.
Das vorgestellte Verfahren zur Berechnung von Spitzenspaltänderungen in Turbomaschinen im Rahmen der Leistungsrechnung ist für beliebige Triebwerkstypen anwendbar. Aufgrund der durchgeführten Vergleichsprüfungen stellen die entwickelten Spitzenspalt-Zustandsraummodelle eine validierte Erweiterung für die derzeit verwendeten Leistungsrechnungsverfahren dar. Eine Erhöhung der Rechenzeit durch Einbinden der Spitzenspalt-Zustandsraummodelle in das Leistungsrechungsprogramm ist nicht feststellbar. Das Verfahren eignet sich weiterhin zur Modellierung von Dichtungsspaltänderungen im Kühlluftsystem und instationären Wärmeströmen zwischen Arbeitsgas und Bauteilen im Rahmen der Leistungsrechnung. Die Zustandsgrößen des Spitzenspalt-Zustandsraummodells beschreiben bereits den Thermalzustand der Turbomaschinen, es verbleibt noch die Modellerweiterung um die Ausgangsgrößen der Wärmeströme. Die zusätzlich benötigten Kennfelder können mit den gleichen Finite-Element-Modellen und Methoden wie für die Erzeugung der Spitzenspalt-Zustandsraummodelle erstellt werden.
Ausgangspunkt für die Arbeiten ist ein bewährtes Leistungsrechnungsprogramm zur Simulation des Betriebsverhaltens von Triebwerken mit nominalen Spitzenspalten unter Berücksichtigung der Effekte von Rotorträgheit, Volumenaufstau in den Komponenten und Wärmeausgleichsprozessen zwischen Triebwerksbauteilen und Arbeitsgas. Als Grundlage für die rechnerische Erfassung der wechselseitigen Beziehung zwischen Kreisprozess und Spitzenspaltänderungen werden die Prozessschnittstellen durch eine eingehende Systemanalyse beschrieben. Die Modellierung der Spitzenspaltänderungen erfolgt über Zustandsraummodelle. Dies ermöglicht eine schnelle rechnerische Simulation und erfüllt somit eine wichtige Voraussetzung zur Berücksichtigung von Spitzenspaltänderungen innerhalb von Leistungsrechnungsprogrammen. Die Spitzenspalt-Zustandsraummodelle werden unter Anwendung der Theorie der Identifikation dynamischer Systeme von thermo-mechanischen Finite-Element-Modellen der Turbomaschinen abgeleitet.
Für die Zustandsraummodellierung werden die Spitzenspalte in thermal und mechanisch bedingte Anteile aufgespalten und in Abhängigkeit des thermalen und des mechanischen Zustands der modellierten Baugruppe in Kennfeldern niedergelegt. Der mechanische Zustand wird durch die Drehzahl der Komponente und den im Gaskanal herrschenden Druck bestimmt. Der Thermalzustand wird mit der Temperatur des anliegenden Arbeitsgases und im Falle von gekühlten Komponenten zusätzlich mit der Kühllufttemperatur korreliert. Das Antwortverhalten des Thermalzustands auf Änderungen in der Gastemperatur wird in Abhängigkeit der wirkenden Wärmeübergangszahl über Kennfelder charakterisiert. Die an den Prozessschnittstellen zu übergebenden Parameter sind so definiert, dass diese bei der Leistungsrechnung aus ohnehin berechneten Größen wie Totaltemperaturen und Durchsätzen bestimmt werden können.
Die Validierung des Verfahrens erfolgt durch den Vergleich von Spitzenspaltvorhersagen der Zustandsraummodelle mit entsprechenden Simulationsergebnissen der Finite-Element-Modelle. Als Testfälle werden stationäre Betriebszustände und schnelle Lastwechselvorgänge bei unterschiedlichen Flugbedingungen verwendet. Die Vorhersagen des Verdichtermodells sind hinreichend genau; die maximal beobachteten auf die Schaufelhöhe bezogenen Fehler in den berechneten Spitzenspaltänderungen treten nach einer schnellen Triebwerksbeschleunigung von Leerlaufauf Volllastbedingungen auf und betragen weniger als 0.1 %. Aufgrund der sekundären Bedeutung der Spitzenspaltänderungen während transienter Vorgänge für das Betriebsverhalten von Flugtriebwerken sind Fehler dieser Größenordnung akzeptabel. Die Vorhersagefehler des Turbinenmodells im dynamischen Betrieb sind größer als die des Verdichtermodells. Insbesondere die Teilmodelle der Turbinenscheiben zeigen während schneller Lastwechselvorgänge Abweichungen in der Größenordung von bis zu 0.25 % bezogen auf die Schaufelhöhe. Daraus wird gefolgert, dass sich das komplexe Systemverhalten einer zweistündigen gekühlten Hochdruckturbine hinsichtlich von Spitzenspaltänderungen nur unter Einbuße von Genauigkeit über Zustandsraummodelle mit wenigen Eingangs- und Zustandsgrößen abbilden lässt.
Das bestehende Leistungsrechnungsprogramm des Rolls-Royce Triebwerks BR710 wird unter Beibehaltung des modularen Aufbaus zur Berücksichtigung von Spitzenspaltänderungen erweitert. Bei der instationären Leistungsrechnung werden der thermale und mechanische Zustand von Bauteilen, die für die Spitzenspaltberechnung relevant sind, über vorab ermittelte Kennfelder bestimmt und die sich ergebenden Spaltänderungen überlagert. Der Einfluss der Spitzenspaltänderungen auf das Verhalten der Turbomaschinen fließt über vorhandene, teilweise experimentell bestimmte, Beziehungen in die Leistungsrechnung ein.
Die Eignung des Verfahrens zur Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit von Leistungsrechnungsprogrammen wird durch die Nachrechnung einer Triebwerksbeschleunigung und den Vergleich der Simulationsergebnisse mit Triebwerksmessungen gezeigt. Die simulierten Verläufe der Verdichtergrößen Druckverhältnis, Durchsatzparameter und Pumpgrenzenabstand stimmen weitgehend mit Triebwerksmessungen überein. Die genaueren Vorhersagen des verfügbaren Pumpgrenzenabstands, die das erweiterte Leistungsrechnungsprogramm ermöglicht, können beispielsweise zur frühzeitigen Optimierung des thermischen Verhaltens des Hochdruckverdichters oder zur effizienten Durchführung von Versuchen zur Bestimmung der Pumpgrenze beitragen. Die Simulation der Niederdruckturbinen-Eintrittstemperatur stimmt qualitativ mit Triebwerksmessungen überein, wobei die simulierte Höhe des Überschwingers niedriger als der Messwert ausfällt. Eine Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit der Turbineneintrittstemperaturen kann zur besseren Vorhersage von Testzielen für die Triebwerkszulassung genutzt werden.
Das vorgestellte Verfahren zur Berechnung von Spitzenspaltänderungen in Turbomaschinen im Rahmen der Leistungsrechnung ist für beliebige Triebwerkstypen anwendbar. Aufgrund der durchgeführten Vergleichsprüfungen stellen die entwickelten Spitzenspalt-Zustandsraummodelle eine validierte Erweiterung für die derzeit verwendeten Leistungsrechnungsverfahren dar. Eine Erhöhung der Rechenzeit durch Einbinden der Spitzenspalt-Zustandsraummodelle in das Leistungsrechungsprogramm ist nicht feststellbar. Das Verfahren eignet sich weiterhin zur Modellierung von Dichtungsspaltänderungen im Kühlluftsystem und instationären Wärmeströmen zwischen Arbeitsgas und Bauteilen im Rahmen der Leistungsrechnung. Die Zustandsgrößen des Spitzenspalt-Zustandsraummodells beschreiben bereits den Thermalzustand der Turbomaschinen, es verbleibt noch die Modellerweiterung um die Ausgangsgrößen der Wärmeströme. Die zusätzlich benötigten Kennfelder können mit den gleichen Finite-Element-Modellen und Methoden wie für die Erzeugung der Spitzenspalt-Zustandsraummodelle erstellt werden.
| Reihe/Serie | Dissertation Classic ; 1290 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 158 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Betriebsverhalten • HC/Technik/Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik • instationär • Leistungsrechnung • Spitzenspalt • Turboflugtriebwerke • Zustandsraummodell |
| ISBN-10 | 3-86624-190-9 / 3866241909 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-190-9 / 9783866241909 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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