Konstruktion einer Vorrichtung zur umfangsverteilten Einblasung in den Eintrittsbereich des ND-Verdichters des Triebwerks LARZAC 04


Diplomarbeit, 1998

48 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhalt

1 EINLEITUNG

2 STRÖMUNGSINSTABILITÄTEN IN VERDICHTERN
2.1 Rotierende Ablösungen
2.2 Tiefes Abreißen
2.3 Verdichterpumpen
2.4 Grundformen der Betriebscharakteristiken

3 STABILISIERUNG VON VERDICHTERN
3.1 Passive Stabilisierung
3.2 Aktive Stabilisierung

4 AKTIVE STABILISIERUNG FÜR DAS TRIEBWERK LARZAC 04
4.1 Aktive Stabilisierung des Niederdruckverdichters durch Einblasung von Druckluft
4.2 Umfangsverteilte Ringeinblasung
4.3 Umfangsverteilte Einzelstelleneinblasung
4.3.1 Anforderungen
4.3.2 Gesamtaufbau
4.3.2.1 Innengehäuse
4.3.2.2 Außengehäuse
4.3.2.3 Steuerring
4.3.2.4 Austrittsdüsen
4.3.2.5 Abdeckdeckel
4.3.3 Berechnungen
4.3.3.1 Berechnung des realisierbaren Massenstroms
4.3.3.2 Berechnung der Düsenaustrittsfläche
4.3.4 Auswahl der Ventile

5 ZUSAMMENFASSUNG

6 LITERATUR

7 ABBILDUNGEN

8 ANHANG

Bezeichnungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1

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).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Arten von rotierenden Ablösungen:

1. Part Span Stall

d.h. Ablösung erstreckt sich nur über einen Teil der Schaufelhöhe

2. Full Span Stall

d.h. Ablösung erstreckt sich über die gesamte Schaufelhöhe

Bevor sich eine Zelle voll ausgebildet hat liegt immer Part Span Stall vor. Die Form der Ablösung bei voll ausgebildeter Zelle ist dann vom Nabenverhältnis des Verdichters abhängig. Bei einem Verdichter mit kleinem Nabenverhältnis, also mit großen Schaufelhöhen, tritt normalerweise kein Full Span Stall auf, da bei einer Versperrung des Kanals im Bereich der Schaufelspitzen das Fluid gemäß der Kontinuitätsgleichung im Nabenbereich des Schaufelkanals beschleunigt wird und somit wieder eine günstige Anströmung in diesem Bereich verursacht. Dadurch wird eine weitere Ausbreitung der Ablösezelle in Richtung Nabe verhindert (Pöters[4]).

Bei großem Nabenverhältnis ist dem Fluid ein Ausweichen in radialer Richtung auf Grund der geringen Schaufelhöhe nicht möglich. Aus diesem Grund tritt bei kleinen Schaufelhöhen Full Span Stall auf.

Rotierende Ablösungen treten im Gesamtsystem Triebwerk gerade im unteren Drehzahlbereich häufiger auf, da hier die axiale Anströmgeschwindigket der Schaufeln niedriger ist als im Auslegungspunkt und es so auf Grund des ungünstigeren Anströmwinkels zu Strömungsablösungen kommen kann. Enzelne Ablösezellen sind für den Betrieb nicht schädlich. Erst eine weitere Vergrößerung der Zellen bis zur Ablösung über den gesamten Umfang kann zum Verdichterpumpen führen, wobei das Triebwerk unter Umständen sehr stark beschädigt wird.

2.2 Tiefes Abreißen

Eine besonders schwere Form der rotierenden Ablösung ist das tiefe Abreißen. Hierbei handelt es sich um ein einzelliges Ablösesystem, das sich über eine großen Teil des Umfangs erstreckt und über die gesamte Spannweite der Schaufel reicht. Wird der Verdichter weiter gedrosselt, erweitert sich die Ablösezelle entlang des Umfanges. Dabei ist der Betriebszustand durch einen sehr starken Wirkungsgradabfall von 20-40 % und eine deutliche Verminderung des Verdichterdruckverhältnisses [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gekennzeichnet (Pankner[5]). Auf Grund der damit verbundenen Reduktion von & [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und da b = const. erhöht sich die Turbineneintrittstemperatur [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Es besteht auch die Gefahr, daß das Triebwerk durch tiefes Abreißen ins Pumpen gerät.

2.3 Verdichterpumpen

Im Gegensatz zu rotierenden Ablösungen kann Pumpen nur in Verdichtern mit angeschlossenen Volumina bzw. im Gesamtsystem Triebwerk und nicht nur im beschaufelten Bereich alleine auftreten. Das liegt daran, daß in dem Volumen hinter dem Verdichter genügend Energie in Form von statischem Druck gespeichert sein muß, um dem Totaldruck vor dem Verdichter entgegenzuwirken zu können. Die Energie und das Volumen einer Brennkammer reicht im Normalfall aus das Triebwerk unter ungünstigen Bedingungen ins Pumpen zu bringen.Wird die Pumpgrenze eines Verdichters überschritten, so entsteht eine lokale Ablösezone in der Form von rotierenden Ablösezellen, die sich dann rasch über den gesamten Umfang des Verdichters ausbreitet. Durch die komplette Versperrung des Strömungskanals ist der Verdichter nicht mehr in der Lage, den Massenstrom auf den hinter ihm liegenden Druck zu fördern. Es kommt zu einer Rückströmung der hochverdichteten Luft stromaufwärts durch den Verdichter. Da der Vorgang des Pumpens sich bei konstanter Drehzahl abspielt, legt sich die Strömung nach dem Ausblasen durch den Verdichter wieder an und es kommt erneut zum Druckaufbau bis die Pumpgrenze wieder erreicht wird. Beim erneuten Überschreiten der Pumpgrenze beginnt der Vorgang von neuem. Dieser periodische,niederfrequente Strömungsabriß mit Strömungsumkehr erfolgt mit einer Frequenz von 5-30 Hz. Hierbei kommt es auf Grund der stetig wiederauftretenden Strömungsumkehr zu einer hohen Biegebelastung der Schaufeln und zu einer Durchbiegung des Rotors. Durch die hohen, auftretenden Kräfte kann es dazu führen, daß die Schaufeln am Gehäuse oder am Stator anlaufen oder sich aus der Verankerungen lösen und das Triebwerk beschädigen.

Wie in Abbildung 2.5 dargestellt wird das Pumpen in vier Phasen unterteilt.

- Phase 1: Abreißen der Strömung nach Überschreiten der Pumpgrenze
- Phase 2: Ausblasen der hochverdichteten Luft nach vorne
- Phase 3: Wiederanlegen der Strömung innerhalb des Verdichters
- Phase 4: Druckaufbau bis zum Erreichen der Pumpgrenze

Ein ins Pumpen geratenes Triebwerk kann nur aktiv wieder in einen stabile Betriebsbereich gebracht werden. Dies ist nur möglich durch:

- Abschalten des Triebwerkes
- Entlasten des Verdichters durch Abblasen hochverdichteter Luft (bleed valve)
- Reduktion der Drehzahl des Triebwerks

2.4 Grundformen der Betriebscharakteristiken

Aus Abbildung 2.5 geht hervor, das man grundsätzlich zwischen drei verschiedenen Betriebscharakteristiken eines mehrstufigen Axialverdichters unterscheidet.

- Die Primärcharakteristik
- Die Tertiärcharakteristik
- Die Sekundärcharakteristik

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5

Der Betriebsbereich eines Verdichters in dem keine instabilen Strömungsvorgänge wie rotierende Ablösung oder Pumpen auftreten, wird als Primärcharakteristik bezeichnet. Dies ist der „gesunde“ Teil des Kennfeldes, in dem der Verdichter mit bestmöglichem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Wird beim Überschreiten der Stabilitätsgrenze des Verdichters das Pumpen durch Dämpfung des Systems verhindert so springt der Betriebspunkt auf eine Tertiärcharakteristik. Dieser stabile Betriebszustand ist auf Grund ausreichender Dämpfung des Gesamtsystems möglich und ist durch einen starken Rückgang des Durchsatzes und des Wirkungsgrades gekennzeichnet. Durch weiteres Drosseln auf der Tertiärcharakteristik ist es möglich, bei konstantem Druckverhältnis den Durchsatz fast bis auf den Wert Null zu reduzieren (Pankner[5]). Beim überschreiten der Sprungstelle zwischen Primär- und Tertiärcharakteristik kann ein Hysteresegebiet auftreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6

Das heißt, daß beim Entdrosseln des Verdichters der Rücksprung des Betriebspunktes bei Wiederanliegen der Strömung erst bei größerem Durchsatz erfolgt, als der Übergang beim Ablösen der Strömung bei Überschreiten der Abreißgrenze Die Größe des Hystersegebietes wächst mit der Anzahl der Stufen des Verdichters und mit der Größe der aerodynamischen Belastung.

Treten bei einem Betriebszustand rotierende Ablösungen in ein- oder mehrzelligen Systemen auf, so befindet sich der Betriebspunkt auf einer sogenanntenr Sekundärcharakteristik. Diese Kennlinien befinden sich, wie aus Abbildung 2.5 ersichtlich, jenseits der Pumpgrenze unterhalb der Primärcharakteristik.

Die Sekundärcharakteristik kann nicht direkt von der Primärcharakteristik aus erreicht werden, sondern nur durch Entdrosseln des Verdichters von der Tertiärcharakteristik aus. Allerdings muß sich das rotierende Ablösesystem beim Entdrosseln verkleinern. Dadurch springt der Betriebspunkt auf die Sekundärcharakteristik, die mit abnehmendem Durchsatz jedoch einen positiven Druck-Durchsatz-Gradienten besitzt und deshalb grundsätzlich instabil ist, so daß der Betriebspunkt wieder auf die stabile Tertiärcharakteristik zurückspringt. Verschwindet beim Entdrosseln das rotierende Ablösesystem, so geht der Betriebszustand direkt in die Tertiärcharakteristik über. Da die Sekundärcharakteristiken nur unter genannten,besonderen Bedingungen erreichbar sind, treten sie im normalen Betrieb von Turbostrahltriebwerken im allgemeinen nicht auf (Pankner [5]).

[...]

Ende der Leseprobe aus 48 Seiten

Details

Titel
Konstruktion einer Vorrichtung zur umfangsverteilten Einblasung in den Eintrittsbereich des ND-Verdichters des Triebwerks LARZAC 04
Hochschule
Universität der Bundeswehr München, Neubiberg  (Institut für Strahlantriebe)
Note
1,3
Autor
Jahr
1998
Seiten
48
Katalognummer
V23432
ISBN (eBook)
9783638265553
ISBN (Buch)
9783638839204
Dateigröße
1660 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Konstruktion, Vorrichtung, Einblasung, Eintrittsbereich, ND-Verdichters, Triebwerks, LARZAC
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Thomas Buchmeier (Autor), 1998, Konstruktion einer Vorrichtung zur umfangsverteilten Einblasung in den Eintrittsbereich des ND-Verdichters des Triebwerks LARZAC 04, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/23432

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