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.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung und Themenfelder
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die konstruktive Entwicklung einer Vorrichtung zur aktiven Stabilisierung des Niederdruckverdichters am Triebwerk LARZAC 04, um den nutzbaren Betriebsbereich nahe der Pumpgrenze durch gezielte, umfangsverteilte Drucklufteinblasung zu erweitern und Instabilitäten effektiv zu unterdrücken.
- Analyse der Strömungsinstabilitäten (rotating stall, surge) in Axialverdichtern
- Vergleich und Bewertung von Stabilisierungskonzepten (aktiv vs. passiv)
- Dimensionierung der Einblasvorrichtung hinsichtlich Massenstrom und Geometrie
- Auswahl und Integration hochfrequenter Ventile zur Ansteuerung der Einblasdüsen
Auszug aus dem Buch
4.3.2.1 Innengehäuse
Das Innengehäuse besteht aus einem Alu-Ring in den von außen die Strömungskanäle hineingefräst werden. Durch Drahterosion werden die Stücke innen zwischen den Kanälen entfernt Dadurch wird der Versperrungsgrad des Triebwerkseinlaufs reduziert. Am Triebwerksseitigen Ende der Kanäle werden radial Kreisbögen ausgefräst, in die die Austrittsdüsen eingesetzt werden können. Das Innengehäuse wird axial mit dem Außengehäuse verschraubt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Darstellung der Problemstellung bezüglich instabiler Strömungen im LARZAC 04 Triebwerk und der Zielsetzung zur aktiven Stabilisierung mittels Drucklufteinblasung.
2 STRÖMUNGSINSTABILITÄTEN IN VERDICHTERN: Theoretische Grundlagen zu Phänomenen wie rotierenden Ablösungen, tiefem Abreißen und Verdichterpumpen sowie deren Einfluss auf die Betriebscharakteristiken.
3 STABILISIERUNG VON VERDICHTERN: Untersuchung passiver Schutzmaßnahmen sowie Einführung in die aktive Stabilisierung (active control) und Detektionsmethoden von Instabilitäten.
4 AKTIVE STABILISIERUNG FÜR DAS TRIEBWERK LARZAC 04: Konstruktive Ausarbeitung der umfangsverteilten Einzelstelleneinblasung inklusive Anforderungsanalyse, Berechnungen und Ventilselektion.
5 ZUSAMMENFASSUNG: Abschließender Überblick über die erarbeitete konstruktive Lösung zur Implementierung der Einblasvorrichtung.
Schlüsselwörter
Aktive Stabilisierung, LARZAC 04, Niederdruckverdichter, Drucklufteinblasung, rotierende Ablösungen, Verdichterpumpen, Einzelstelleneinblasung, Modalwellen, Strömungsinstabilität, Triebwerksversuchs-Anlage, Hochfrequenzventile, Massenstrom, Strömungsmechanik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der konstruktiven Entwicklung einer Vorrichtung zur aktiven Stabilisierung des Niederdruckverdichters am Triebwerk LARZAC 04, um Betriebsbereiche nahe der Pumpgrenze sicherer zu machen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen von Verdichterinstabilitäten, die Konzepte der aktiven Stabilisierung sowie die konkrete konstruktive Umsetzung einer Drucklufteinblasvorrichtung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist die Erweiterung des stabilen Betriebsbereichs des Verdichters durch die Beseitigung von Störungen wie rotierenden Ablösungen und Spikes mittels aktiver, umfangsverteilter Drucklufteinblasung.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zur Anwendung?
Neben der theoretischen Analyse bekannter Stabilisierungsmechanismen wird eine konstruktive Auslegung (CAD) vorgenommen, die durch strömungsmechanische Berechnungen der benötigten Massenströme und Geometrien gestützt wird.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die spezifische Auslegung der umfangsverteilten Einzelstelleneinblasung, die Berechnung der notwendigen Düsenquerschnitte und die Auswahl geeigneter Aktuatoren (Ventile) für den Betrieb.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Aktive Stabilisierung, LARZAC 04, rotierende Ablösungen, Drucklufteinblasung, Niederdruckverdichter und Hochfrequenzventile.
Warum wurde die "Einzelstelleneinblasung" gegenüber der "Ringeinblasung" bevorzugt?
Die Einzelstelleneinblasung ermöglicht eine bessere Integration in bestehende Anbauten, vermeidet lose Teile im Einlassbereich und bietet eine technisch effizientere Lösung, die den Einlassquerschnitt weniger negativ beeinflusst.
Welche Herausforderung ergab sich bei der Auswahl der Ventile?
Da für die aktive Kompensation der Störungen Schaltzeiten von 2 ms gefordert sind, konnten keine Standard-Serienventile verwendet werden, was den Entwurf eines eigenen Ventilkörpers in Kombination mit einem Linear Force Motor der Firma MOOG erforderlich machte.
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- Dipl.-Ing. Thomas Buchmeier (Author), 1998, Konstruktion einer Vorrichtung zur umfangsverteilten Einblasung in den Eintrittsbereich des ND-Verdichters des Triebwerks LARZAC 04, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/23432
