Effizienzsteigerung von Turboluftstrahltriebwerken durch Optimierung des sekundären Luftsystems
Seiten
2008
|
1., Aufl.
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-371-2 (ISBN)
Winter Industries (Verlag)
978-3-86624-371-2 (ISBN)
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Die zum Erreichen hoher Prozesswirkungsgrade notwendigen Heißgastemperaturen in den Turbinen moderner Gasturbinen stellen eine Herausforderung für den sicheren Betrieb dieser Komponenten dar. Der in den vergangenen Jahrzehnten aufgetretene starke Anstieg der Temperaturen konnte neben einer Verbesserung von Materialeigenschaften, verminderten Wärmeübergängen vom Heißgas in das Schaufelmaterial und höheren Kühllufteffektivitäten nur durch eine Erhöhung von Kühl- und Dichtmassenströmen im sekundären Luftsystem praktisch umgesetzt werden. Die in heutigen Gasturbinen üblichen Sekundärmassenströme haben jedoch einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Kreisprozesses.
Zum Verständnis der Mechanismen der Leistungsbeeinflussung einer Fluggasturbine durch das sekundäre Luftsystem wird in der vorliegenden Arbeit eine eindeutige und vollständige Bilanzierungsmethode eingeführt. Alle entscheidenden Mechanismen werden einzeln diskutiert und Möglichkeiten zur Quantifizierung vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Bilanzierung der einzelnen Verluste mit Hilfe von Exergien Vorteile gegenüber anderen Verfahren bietet. Aus diesem Grund wird ein Exergiewirkungsgrad eingeführt, der eine Quantifizierung des Anteils der mit dem Luftsystem in Verbindung stehenden Verluste an den Gesamtverlusten des Triebwerks erlaubt. Eine wichtige Anwendung dieses Verfahrens ist es, verschiedene Luftsystemkonzepte miteinander vergleichen zu können und so eine Entscheidungsgrundlage für deren Auswahl zur Verfügung zu haben. Die Exergiemethode wird auf die Auswahl der geeigneten Abzapfstelle im Verdichter für Kühlluft der zweiten Hochdruckturbinenstufe angewandt. Es kann analytisch und quantitativ gezeigt werden, dass die Verwendung von Luft aus den vorderen Stufen einen geringeren Exergieverlust mit sich bringt als die Nutzung von Verdichteraustrittsluft.
Aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeit ist die Berechnung von Luftsystem und Triebwerksleistung nicht voneinander zu trennen. Heutige Verfahren sehen jedoch nur die getrennte Berechnung vor, wobei Daten jeweils am Ende der Berechnung ausgetauscht werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die gekoppelte Berechnung von Luftsystem und Triebwerksleistung ermöglicht und so die Anzahl der für die Triebwerksauslegung und -berechnung notwendigen Iterationen deutlich absenkt. Erst durch diese Beschleunigung der Berechnung ist eine Optimierung des Gesamtsystems möglich. Die gegenseitige Beeinflussung erfolgt über mehrere Mechanismen. Einerseits bestimmt der Betriebszustand des Triebwerks die Randbedingungen des Luftsystems, die großen Einfluss auf die Durchflussmengen und den Wärmeeintrag in die Sekundärluft haben. Zudem hat der vom Triebwerkszustand abhängige thermische Zustand von statischen und rotierenden Bauteilen, insbesondere der Labyrinth- und Bürstendichtungen, großen Einfluss auf die Dichtspalte im Luftsystem, die wiederum die Durchflussmengen bestimmen. Schließlich hat die Rotation von Schaufeln und Scheiben eine Pumpwirkung auf die Sekundärluft. Andererseits wird der Kreisprozess durch die Vorbeileitung von Luft an den Turbinenschaufeln und durch die mit den Sekundärmassenströmen eingebrachten Strömungs- und Thermalverluste beeinflusst.
Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte gekoppelte Modell wird dazu verwendet, die an jedem beliebigen Betriebspunkt des Triebwerks auftretenden sekundären Massenströme des Hochdrucksystems zu berechnen. Daraus können zum einen Durchflusskennfelder für die Sekundärluft abgeleitet werden, die zu einer verbesserten Vorhersage der Triebwerksleistung im Rahmen der Leistungsrechnung beitragen. Zum anderen wird der den Schaufeln zur Kühlung zur Verfügung stehende Massenstrom berechnet.
Ausgehend von der Kenntnis der stationären Betriebszustände von Triebwerk als Gesamtsystem und Sekundärluftsystem ist es möglich, Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Dazu wird der zur Einstellung einer bestimmten Lebensdauer der Schaufeln notwendige Kühlmassenstrom identifiziert und mit dem berechneten tatsächlich vorhandenen verglichen. Es wird gezeigt, dass im Reise- und Sinkflug der untersuchten Triebwerkskonfiguration eine deutliche Reduktion von Kühlluft möglich ist, ohne die Lebensdauer signifikant einzuschränken. Darüber hinaus werden mehrere Verfahren zur technischen Umsetzung eines adaptiven Systems vorgestellt. Eine solche reale Umsetzung birgt neben dem thermodynamischen Potenzial allerdings auch negative Auswirkungen auf Kosten und Gewicht des Triebwerks, so dass ein Gesamtpotenzial im Sinne des Kunden, also des Flugzeugherstellers und -betreibers, abgeleitet werden muss. In der vorliegenden Untersuchung wurde das Gesamtpotenzial hinsichtlich Lebenszykluskosten-, Reichweiten- und Zuverlässigkeitsaspekten am Beispiel der Anwendung für ein Regional- und ein Langstreckengeschäftsflugzeug im Rahmen einer Szenariostudie analysiert. Eine positive Empfehlung hinsichtlich des Gesamtpotenzials kann für beide Anwendungen gegeben werden.
Die durchgeführten Untersuchungen stellen einen Beitrag zur verbesserten Modellierung von sekundären Luftsystemen in Flugzeugtriebwerken dar. Die vorgestellten Überlegungen zur Verlustbilanzierung ermöglichen eine konsistente und vollständige Berücksichtigung der mit dem Luftsystem in Verbindung stehenden Verluste und sind auch auf allgemeine Probleme anwendbar. Damit dienen sie einerseits einem verbesserten Verständnis, andererseits ermöglichen sie eine analytische Betrachtung von Optimierungsmöglichkeiten. Ebenso konnte eine Methode zur gekoppelten Berechnung von Luftsystem und Triebwerksleistung eingeführt werden, die Rechnungen an allen stationären Betriebspunkten eines Triebwerks erlaubt. Durch diese Möglichkeit der Berechnung von Kühlmassenströmen wird eine genaue Bestimmung des Potenzials eines adaptiven Luftsystems und anderer Optimierungsmöglichkeiten des sekundären Luftsystems ermöglicht.
Zum Verständnis der Mechanismen der Leistungsbeeinflussung einer Fluggasturbine durch das sekundäre Luftsystem wird in der vorliegenden Arbeit eine eindeutige und vollständige Bilanzierungsmethode eingeführt. Alle entscheidenden Mechanismen werden einzeln diskutiert und Möglichkeiten zur Quantifizierung vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Bilanzierung der einzelnen Verluste mit Hilfe von Exergien Vorteile gegenüber anderen Verfahren bietet. Aus diesem Grund wird ein Exergiewirkungsgrad eingeführt, der eine Quantifizierung des Anteils der mit dem Luftsystem in Verbindung stehenden Verluste an den Gesamtverlusten des Triebwerks erlaubt. Eine wichtige Anwendung dieses Verfahrens ist es, verschiedene Luftsystemkonzepte miteinander vergleichen zu können und so eine Entscheidungsgrundlage für deren Auswahl zur Verfügung zu haben. Die Exergiemethode wird auf die Auswahl der geeigneten Abzapfstelle im Verdichter für Kühlluft der zweiten Hochdruckturbinenstufe angewandt. Es kann analytisch und quantitativ gezeigt werden, dass die Verwendung von Luft aus den vorderen Stufen einen geringeren Exergieverlust mit sich bringt als die Nutzung von Verdichteraustrittsluft.
Aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeit ist die Berechnung von Luftsystem und Triebwerksleistung nicht voneinander zu trennen. Heutige Verfahren sehen jedoch nur die getrennte Berechnung vor, wobei Daten jeweils am Ende der Berechnung ausgetauscht werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die gekoppelte Berechnung von Luftsystem und Triebwerksleistung ermöglicht und so die Anzahl der für die Triebwerksauslegung und -berechnung notwendigen Iterationen deutlich absenkt. Erst durch diese Beschleunigung der Berechnung ist eine Optimierung des Gesamtsystems möglich. Die gegenseitige Beeinflussung erfolgt über mehrere Mechanismen. Einerseits bestimmt der Betriebszustand des Triebwerks die Randbedingungen des Luftsystems, die großen Einfluss auf die Durchflussmengen und den Wärmeeintrag in die Sekundärluft haben. Zudem hat der vom Triebwerkszustand abhängige thermische Zustand von statischen und rotierenden Bauteilen, insbesondere der Labyrinth- und Bürstendichtungen, großen Einfluss auf die Dichtspalte im Luftsystem, die wiederum die Durchflussmengen bestimmen. Schließlich hat die Rotation von Schaufeln und Scheiben eine Pumpwirkung auf die Sekundärluft. Andererseits wird der Kreisprozess durch die Vorbeileitung von Luft an den Turbinenschaufeln und durch die mit den Sekundärmassenströmen eingebrachten Strömungs- und Thermalverluste beeinflusst.
Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte gekoppelte Modell wird dazu verwendet, die an jedem beliebigen Betriebspunkt des Triebwerks auftretenden sekundären Massenströme des Hochdrucksystems zu berechnen. Daraus können zum einen Durchflusskennfelder für die Sekundärluft abgeleitet werden, die zu einer verbesserten Vorhersage der Triebwerksleistung im Rahmen der Leistungsrechnung beitragen. Zum anderen wird der den Schaufeln zur Kühlung zur Verfügung stehende Massenstrom berechnet.
Ausgehend von der Kenntnis der stationären Betriebszustände von Triebwerk als Gesamtsystem und Sekundärluftsystem ist es möglich, Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Dazu wird der zur Einstellung einer bestimmten Lebensdauer der Schaufeln notwendige Kühlmassenstrom identifiziert und mit dem berechneten tatsächlich vorhandenen verglichen. Es wird gezeigt, dass im Reise- und Sinkflug der untersuchten Triebwerkskonfiguration eine deutliche Reduktion von Kühlluft möglich ist, ohne die Lebensdauer signifikant einzuschränken. Darüber hinaus werden mehrere Verfahren zur technischen Umsetzung eines adaptiven Systems vorgestellt. Eine solche reale Umsetzung birgt neben dem thermodynamischen Potenzial allerdings auch negative Auswirkungen auf Kosten und Gewicht des Triebwerks, so dass ein Gesamtpotenzial im Sinne des Kunden, also des Flugzeugherstellers und -betreibers, abgeleitet werden muss. In der vorliegenden Untersuchung wurde das Gesamtpotenzial hinsichtlich Lebenszykluskosten-, Reichweiten- und Zuverlässigkeitsaspekten am Beispiel der Anwendung für ein Regional- und ein Langstreckengeschäftsflugzeug im Rahmen einer Szenariostudie analysiert. Eine positive Empfehlung hinsichtlich des Gesamtpotenzials kann für beide Anwendungen gegeben werden.
Die durchgeführten Untersuchungen stellen einen Beitrag zur verbesserten Modellierung von sekundären Luftsystemen in Flugzeugtriebwerken dar. Die vorgestellten Überlegungen zur Verlustbilanzierung ermöglichen eine konsistente und vollständige Berücksichtigung der mit dem Luftsystem in Verbindung stehenden Verluste und sind auch auf allgemeine Probleme anwendbar. Damit dienen sie einerseits einem verbesserten Verständnis, andererseits ermöglichen sie eine analytische Betrachtung von Optimierungsmöglichkeiten. Ebenso konnte eine Methode zur gekoppelten Berechnung von Luftsystem und Triebwerksleistung eingeführt werden, die Rechnungen an allen stationären Betriebspunkten eines Triebwerks erlaubt. Durch diese Möglichkeit der Berechnung von Kühlmassenströmen wird eine genaue Bestimmung des Potenzials eines adaptiven Luftsystems und anderer Optimierungsmöglichkeiten des sekundären Luftsystems ermöglicht.
| Reihe/Serie | Dissertation Classic ; 1471 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 190 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Exergie • Gasturbine • HC/Technik/Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik • Leistungsrechnung • Sekundärluftsystem • Triebwerk • Turbinenkühlung • Wirkungsgrad |
| ISBN-10 | 3-86624-371-5 / 3866243715 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-371-2 / 9783866243712 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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