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Experimentelle Untersuchungen zum thermischen Verhalten von Turboluftstrahltriebwerken

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Experimentelle Untersuchungen zum thermischen Verhalten von Turboluftstrahltriebwerken

Annette Nielsen (Unbekannter Einband, Deutsch)

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Optischer Zustand

Beschreibung

Die Leistungsanforderungen an moderne zivile Antriebssysteme für die neue Flugzeuggeneration beschränken sich nicht nur auf die exakte Vorhersage des stationären Betriebsverhaltens, sondern verlangen in zunehmenden Maße auch die Beschreibung des Leistungsverhaltens während instationärer Triebwerksmanöver. Aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens der einzelnen Bauteile treten bei Beschleunigungs- und Verzögerungsmanövern Änderungen an den Schaufelspitzenspalten einerseits, aber auch an den im Triebwerk häufig verwendeten berührungslosen Dichtungen auf. Grundlage hierfür sind die Wärmeleitung zwischen den Bauteilen und die Wärmeübergänge zwischen Gas und Bauteilen. Diese Sekundärprozesse beeinflussen die Komponentenwirkungsgrade nachhaltig und verändern somit auch die Stabilität der Komponenten und das Leistungsverhalten des gesamten Triebwerks. Die Bedeutung der Auswirkungen der Sekundäreffekte in der Ausgleichsphase nach einer Beschleunigung wird am Beispiel eines Beschleunigungsmanövers am Rolls-Royce Triebwerk BR700-710 gezeigt. Gegenstand dieser Arbeit ist die Berücksichtigung der Sekundäreffekte und ihrer Auswirkungen in der Leistungsrechnung und die Anwendung der Korrekturen im Syntheseprogramm. Hierzu werden die Änderungen der Kennfeldparameter und der Leistungsgrößen anhand eines typischen Testmanövers eingehend experimentell analysiert, so dass für den Vergleich mit den Modellrechnungen gesicherte Messdaten vorliegen. Auf der Grundlage eines für die Auslegungsarbeiten verwendeten Leistungsberechnungsverfahrens wurden die thermischen Effekte modelliert und durch Verwendung von Korrekturgrößen für die Kennfeldparameter in die Syntheserechnung integriert. Die Nachrechnung des dynamischen Betriebsverhaltens mit dem erweiterten Syntheseprogramm und die Validierung der angewandten Methodik war Schwerpunkt dieser Arbeit. Die zur Berechnung der Sekundäreffekte erforderlichen Bauteiltemperaturen und Bauteilverschiebungen stammen dabei aus der thermo-mechanischen FE-Modellierung der einzelnen Komponententeile und stehen so dem Syntheseprogramm zur Verfügung. Die instationäre Wärmestromberechnung wird vom existierenden Verfahren zunächst übernommen und ermöglicht die Korrektur der Zwischenerhitzungs- bzw. Zwischenkühlungseffekte direkt in der Kreisprozessrechnung. Mit Hilfe experimentell ermittelter Einflussfaktoren für die Spaltänderungen an Laufschaufelspitzen werden die Kennfeldgrößen der Turbokomponenten in der Kreisprozessrechnung korrigiert. Hierzu werden für den Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine die Auswirkungen auf den Komponentenwirkungsgrad und den Durchsatzparameter berücksichtigt. Darüber hinaus wird im Verdichter außerdem eine Korrektur für die Pumpgrenze vorgegeben. Im Versuch wurde durch die Spaltänderungen in der Hochdruckturbine eine aerodynamische Beeinträchtigung der Anströmung der nachfolgenden Niederdruckturbine ermittelt. Deshalb wird in der Rechnung auch hier eine Korrektur für den Durchsatzparameter vorgenommen. Änderungen, die sich durch Spaltänderungen in Labyrinthdichtungen im Triebwerk ergeben, werden in der Hochdruckturbine berücksichtigt. Zur Beurteilung der Empfindlichkeit der Dichtungen gegenüber instationärer thermischer Ausdehnungsphänomene wurden mit Hilfe des Luftsystemmodells die Dichtungen identifiziert, die zur Änderung der für die Leistungsrechnung relevanten Kühlluftmassenströme beitragen. Die veränderten Massenströme werden anhand der Dichtungsflächenänderung ermittelt und für die Teilmassenströme im Synthesemodell der Turbine vorgegeben. Zur Nachrechnung der Sekundäreffekte werden im Syntheseprogramm die zeitabhängigen Korrekturen definiert, mit denen die Kennfeldparameter innerhalb der Kreisprozessiteration korrigiert werden. Die berechneten Ergebnisse wurden durch den Vergleich an gemessenen Daten für ein hinsichtlich der Spaltänderungen kritisches Manöver des BR700-710 Triebwerks verifiziert. Die sich während der thermischen Ausgleichsphase einstellenden Änderungen der Kennfeldparameter der Turbokomponenten und die sich daraus ergebenden Veränderungen der Triebwerksleistungsgrößen konnten mit der erweiterten Leistungssynthese qualitativ und quantitativ gut nachgebildet werden. An der Temperaturerhöhung am Austritt der Hochdruckturbine und am vermehrten Brennstoffbedarf werden sämtliche Leistungsverluste in den einzelnen Komponenten reflektiert. Für beide Parameter wird rechnerisch eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Werten erreicht. Die Zuordnung der Sekundäreffektanteile zu Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine ist mit ausreichender Genauigkeit möglich. Während der modellierte Verdichter thermisch schneller reagiert, benötigen die massiveren Bauteile der Turbine deutlich länger, bis sich ein stabilisierter Zustand einstellt. Die Sekundäreffekte im Verdichter bewirken eine Verschlechterung der Abstimmung der einzelnen Stufen untereinander, was durch die Darstellung der Spaltaufweitung über einen gemittelten Spalt nicht erfasst wird. Das unterschiedliche Antwortverhalten zwischen den langsameren vorderen Stufen und den hinteren schneller reagierenden Stufen wird damit nur bedingt berücksichtigt. Die Verringerung der Stabilitätsreserven während der Beschleunigung und in der Ausgleichsphase danach ist dagegen gut reproduzierbar. Die Ergebnisse machen deutlich, dass mit dem hier angewandten Modell zur Berücksichtigung der im Triebwerk auftretenden Sekundäreffekte das dynamische Betriebsverhalten erfolgreich simuliert werden kann. Die Methodik zur Integration der Thermalergebnisse in das Syntheseprogramm und die einfache Anwendung der Einflussfaktoren ist damit validiert. Dadurch ist eine wichtige Voraussetzung geschaffen, die Beschreibung der Wärmeübertragungsvorgänge mit dem auf Kennfeldern beruhenden Prinzip der Leistungsrechnung zu verwirklichen. Das hierfür vorgeschlagene linerarisierte Zustandsraummodell [55] verzichtet dabei auf eine aufwändige Definition von Ersatzstrukturen, wie sie bislang für die Berechung genannter Effekte eingesetzt wurde. Für die Leistungssynthese wird unter Einbeziehung aller relevanten Sekundäreffekte eine verbesserte Kreisprozessrechnung vorgeschlagen, die sowohl die Korrektur der Komponentenkennfelder, als auch die Variation der Kühlluftmassenströme vorsieht. Dabei wird der modulare Aufbau der heute gebräuchlichen Syntheseverfahren beibehalten. Der Zusatzaufwand für die diabate Modellierung der Bauteile ist der Bedeutung der sekundären Vorgänge im Triebwerk angemessen. Mit einer verbesserten Vorhersagegenauigkeit des Triebwerksverhaltens im instationären Betrieb lassen sich bereits in der Auslegungsphase kritische Manöver untersuchen und leistungsmindernde Sekundäreffekte identifizieren. Dadurch lassen sich aufwändige Testläufe und die damit verbundenen Kosten reduzieren. Die Anwendung des Modells im Rahmen einer Triebwerksanalyse vermittelt ein verbessertes Verständnis der im Triebwerk stattfindenden Wechselwirkungen. Weniger zeigen

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Produktinformationen

Technische Daten

Erscheinungsdatum

24.08.2006

Sprache

Deutsch

EAN

9783866241367

Herausgeber

Winter Industries

Serien- oder Bandtitel

Dissertation Classic

Sonderedition

Nein

Autor

Annette Nielsen

Seitenanzahl

140

Auflage

Einbandart

Unbekannter Einband

Bandzählung

1236

Schlagwörter

Turboflugtriebwerke, Synthese, Betriebsverhalten, Leistungsberechnung, Instationär

Höhe

210 mm

Breite

15 cm

Warnhinweise und Sicherheitsinformationen

Informationen nach EU Data Act

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