Übersicht

Strömungsinstabilitäten in Verdichtern erfordern einen ausreichenden Sicherheitsabstand der stationären Betriebslinie zur Stabilitätsgrenze damit ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist. Da dadurch der Betriebsbereich stark eingegrenzt wird und Druckerhöhungspotential ungenutzt bleibt, wird angestrebt durch geeignete Maßnahmen den Betriebsbereich zu erweitern.

Die vorliegende Diplomarbeit enthält einen konstruktiven Vorschlag für eine Vorrichtung zur umfangsverteilten Einblasung von Druckluft in den Niederdruckverdichter des Triebwerks LARZAC 04.

Die umfangsverteilte Einblasung in den Niederdruckverdichter stellt eine Möglichkeit der aktiven Stabilisierung (active control) des Triebwerks während des Betriebs nahe der Pumpgrenze dar. Mittels der aktiven Stabilisierung durch umfangsverteilte Einblasung von Druckluft in der Nähe der Schaufelspitzen, ist es möglich, die im Verdichter des Triebwerks LARZAC 04 auftretenden Instabilitäten in der Strömung schon im Ansatz zu beseitigen (Eliminierung von Spikes; bzw. ausdämpfen von Modalwellen) und Weiterentwicklung der Störungen zu rotierenden Ablösungen (rotating stalls), als Vorläufer des Verdichterpumpens (surge) zu verhindern.

Als Vorbereitung zur konstruktiven Umsetzung der beiden Konzeptionen mußte der erforderliche Einblasemassenstrom bestimmt werden.

Ausgehend von diesem Massenstrom mußten die notwendigen Querschnittsmaße der Einblasvorrichtung berechnet und geeignete Ventile ausgewählt werden. Die Ventile müssen die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich Schaltzeit und Arbeitsdruck, welcher durch die vorhandene Druckluftversorgung der Triebwerks-Versuchs-Anlage (TVA) vorgegeben ist, erfüllen.

Abschließend wurden die Einblaskonzeption konstruktiv umgesetzt, wobei hier auf eine kostengünstige Ausführung geachtet werden sollte. Ebenso mußte auf eine möglichst einfache Integration der Einblasvorrichtung in die bereits bestehenden Apparaturen der Triebwerks- Versuchs-Anlage geachtet werden.

Inhalt

1  EINLEITUNG  1

2  STRÖMUNGSINSTABILITÄTEN IN VERDICHTERN  3

2.1  Rotierende Ablösungen  3

2.2  Tiefes Abreißen  7

2.3  Verdichterpumpen  7

2.4  Grundformen der Betriebscharakteristiken  8

3  STABILISIERUNG VON VERDICHTERN  12

3.1  Passive Stabilisierung.  13

3.2  Aktive Stabilisierung.  14

4  AKTIVE STABILISIERUNG FÜR DAS TRIEBWERK LARZAC 04  16

4.1  Aktive Stabilisierung des Niederdruckverdichters durch Einblasung von Druckluft.  16

4.2  Umfangsverteilte Ringeinblasung  17

4.3  Umfangsverteilte Einzelstelleneinblasung  18

4.3.1  Anforderungen.  18

4.3.2  Gesamtaufbau.  20

4.3.2.1  Innengehäuse  20

4.3.2.2  Außengehäuse  21

4.3.2.3  Steuerring  21

4.3.2.4  Austrittsdüsen  22

Inhalt

4.3.2.5  Abdeckdeckel  22

4.3.3  Berechnungen.  23

4.3.3.1  Berechnung des realisierbaren Massenstroms.  23

4.3.3.2  Berechnung der Düsenaustrittsfläche.  26

4.3.4  Auswahl der Ventile.  26

5  ZUSAMMENFASSUNG  30

6  LITERATUR.  31

7  ABBILDUNGEN  32

8  ANHANG  34

Bezeichnungen

a) lateinische Buchstaben

b &

[ ]

− Machzahl Ma

m &

[ ]

T Totaltemperatur K

t

b) griechische Buchstaben

[ ]

Π − Verdichterdruckverhältnis

V

c) Indices

100 100% Drehzahl Turbineneintrittsebene 4 t

1 Einleitung

Am Institut für Strahlantriebe der Universität der Bundeswehr München werden instabile Strömungszustände im Verdichtersystem des Triebwerks LARZAC 04 untersucht. Einen Schwerpunkt bildet hierbei die Suche nach Strömungsinstabilitäten und deren Charakteristik. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse werden Möglichkeiten erarbeitet mit denen die Strömung im Verdichter stabilisiert werden kann. Eine Möglichkeit der Stabilisierung der Verdichterströmung besteht in der Einblasung von Druckluft in den Spitzenbereich der Schaufelreihen, wodurch z.B. lokal auftretende Ablösungen eliminiert werden können. Da diese Stabilisierung an der Komponente Verdichter bereits am MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY (MIT) an einem einstufigen, transsonischen Verdichter durch Weigl [1] erfolgreich durchgeführt wurde, soll das Verfahren an der Universität der Bundeswehr München zum ersten mal auf das Gesamtsystem Triebwerk angewandt werden. Als Versuchsträger dient hierbei ein Triebwerk vom Typ LARZAC 04 (Abb. 1.1), wie es im ALPHA-JET verwendet wird.

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wird ein konstruktiver Vorschlag zur aktiven Stabilisierung des Triebwerks erarbeitet. Dabei wird von der von Schmidt [2] entworfenen

Strömungsinstabilitäten in Verdichtern 2

Einzelstelleneinblasung ausgegangen. Um eingetretene Störungen in der Strömung effektiv beseitigen zu können, ist es erforderlich, die Phänomene und Entstehungsmechanismen der Strömungsinstabilitäten in Verdichtern zu verstehen . Die genaue Kenntnis der räumlichen Struktur dieser Instabilitäten bildet hierbei eine gute Basis um entsprechende Signale durch die Einblasvorrichtung aufbringen zu können.

2 Strömungsinstabilitäten in Verdichtern

Verdichter von Turbo-Luftstrahl-Triebwerken werden so ausgelegt, daß die stationäre Betriebslinie im Kennfeld einen ausreichenden Abstand von der Stabilitätsgrenze hat, da bei Beschleunigungsvorgängen die instationäre Betriebslinie sehr stark nach oben in Richtung Stabilitätsgrenze auswandert. Beim Überschreiten dieser Grenze wird das Sytem Verdichter instabil. Die Instabilität des Verdichters kann nicht nur durch das Überschreiten der Stabilitätsgrenze hervorgerufen werden, sondern auch durch Zuströmungsinstabilitäten während des stabilen Betriebs. Unter Strömungsinstabilitäten in Verdichtern versteht man zum einen unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilungen in axialer Richtung, aber auch Ablösezellen, die durch Fehlanströmung der Verdichterschaufeln entstehen. Beim Betrieb von Verdichtern in Turbo-Luftstrahl-Triebwerken können verschiedene Arten von Strömungsinstabilitäten auftreten. Hier unterscheidet man im wesentlichen zwischen:

• Rotierenden Ablösungen („rotating stall“)

• Tiefes Abreißen („deep stall“)

• Verdichterpumpen („surge“)

Das tiefe Abreißen ist eine besondere Form der rotierenden Ablösungen. Beide Strömungsinstabilitäten stellen Vorstufen des Verdichterpumpens dar.

2.1 Rotierende Ablösungen

Das Phänomen der rotierenden Ablösungen ist ein verdichterspezifisches Problem und tritt unabhängig von Baugruppen wie Brennkammer und Turbine die hinter dem Verdichter angeordnet sind auf. Daher besteht auch die Möglichkeit, rotierende Ablösungen an einem reinen Verdichterprüfstand zu untersuchen.

Wird ein Verdichtergitter nahe seiner maximal möglichen Umlenkungen angeströmt, kann es auf Grund geometrischer Fehler oder zusätzlicher lokaler Störungen zu kleinen, lokalen Ablösungen kommen. Diese Ablösezellen an den Schaufelspitzen werden auch Spikes genannt. Eine Fehlanströmung (Bruststoß) der Schaufeln bewirkt eine saugseitige Strömungsablösung. Durch die Versperrungen wird der Schaufelkanal blockiert und der Verdichter kann dort keine Luft mehr fördern. Die Strömung wird durch den versperrten Schaufelkanal zum Ausweichen gezwungen, weshalb der Anströmwinkel der Schaufeln auf der einen Seite der Ablösezelle

Strömungsinstabilitäten in Verdichtern 4

zunimmt und auf der anderen Seite abnimmt. Die Ausweichbewegung der Strömung bewirkt eine Bewegung der Ablösezelle. Abbildung 2.1 zeigt, daß sich die Zelle entgegengesetzt der Maschinendrehrichtung fortpflanzt. Da die Umlaufgeschwindigkeit deutlich unter der Drehgeschwindigkeit des Rotors liegt, bewegt sich die Zelle für einen Beobachter im Absolutsystem in Drehrichtung des Rotors.

Diese Ablösegebiete können als ein- oder mehrzellige Systeme entstehen, die über den ganzen Rotorumfang verteilt sein können, meist jedoch nur einen Teil der Schaufelspannweite überdecken. Umlaufende Ablöselzellen werden als rotierende Ablösungen bezeichnet und können nicht nur durch Spikes entstehen.Ein weiterer Entstehungsmechanismus rotierender Ablösungen können Modalwellen sein. Bei Modalwellen handelt es sich um Eigenschwingungsformen des Verdichters in Form von sinusförmiger, axialer Geschwindigkeitsverteilung in der Zuströmung (Abb. 2.2).

Die Wellenlänge der ersten harmonischen ist gleich dem Umfang des Verdichters. Die Dämpfung der Schwingung hängt dabei vom Betriebszustand des Verdichters ab und nimmt mit

Strömungsinstabilitäten in Verdichtern 5

fortschreitender Drosselung ab. Modalwellen werden abhängig von der Machzahl, die an den Ma ), in inkompressible und kompressible Moden unterteilt (Weigl et Schaufelspitzen auftritt (

tip

al. [3]). Die inkompressiblen Moden sind immer die n-ten harmonischen Grundschwingungen [1,0], [2,0], [n,0], während die kompressiblen Moden die Oberschwingungen darstellen [1,1], [1,-1]. Sie treten erst bei kompressiblen Machzahlen auf (Abb.2.3).

Die Bezeichnung der Moden erfolgt durch zwei Wellenzahlen [x,y]. Die erste Zahl legt die Art der harmonischen Grundschwingung fest. [0,0] ist also die 0-te harmonische und [1,0] die erste harmonische Schwingung. Durch die zweite Wellenzahl werden die inkompressiblen Moden in der Reihenfolge des Auftretens gekennzeichnet. Die Welle mit der Bezeichnung [1,1] tritt bei einer niedrigeren Rotationsfrequenz auf als die Welle [1,2] (Abb. 2.4). Wellen, die durch ein negativer Vorzeichen der zweiten Wellenzahl gekennzeichnet sind laufen entgegengesetzt zur Rotordrehrichtung um.

Weigl [1] hat im Rahmen seiner Untersuchungen herausgefunden, daß hauptsächlich die erste und zweite harmonische Schwingung mit den nächsten inkompressiblen Moden für Verdichterinstabilitäten verantwortlich sind. Durch die unterschiedlichen

Zuströmgeschwindigkeiten auf Grund der Geschwindigkeitsverteilung der Modalwellen kann es bei einigen Rotoren zu einer Fehlanströmung (Bruststoß) und dadurch zu einer saugseitigen Ablösung an der Verdichterschaufel. Diese Ablösung bewirkt dann widerum eine Versperrung des Schaufelkanals, was dann; wie bei Spikes zu rotierenden Ablösungen führt.