Die Komponentenwirkungsgrade von heutigen Turboflugtriebwerken nähern sich stetig technologisch bedingten Grenzen an. Eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrads erfordert die Einführung neuer Technologien auf der Ebene der Triebwerkskomponenten. Hierbei hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad eines Triebwerks unter anderem durch eine drucksteigernde Verbrennung erheblich angehoben werden kann. Die Entwicklung derartig innovativer Brennkammerkonzepte erfordert eine ganzheitliche Betrachtung deren Integrierbarkeit in die Architektur konventioneller Triebwerke. Insbesondere die Brennkammer-Turbinen-Interkation rückt in den Fokus der Forschung. Beim Einsatz drucksteigernder Brennkammerkonzepte entstehen in der Regel starke periodische Druckschwankungen. Daraus folgt eine transiente aerothermale Beaufschlagung der Hochdruckturbine (HDT).
Vor diesem Hintergrund liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der Analyse der veränderten Austrittsströmung der Brennkammer und deren direkte Auswirkung auf die HDT. Hierfür wird zunächst ein Einblick in die Modellierung der zeitlich variierenden Randbedingungen gegeben. Weiterhin werden sowohl globale Kenngrößen wie der Wirkungsrad der HDT, als auch aerodynamische Effekte innerhalb der Schaufelpassage untersucht. Es wird dargelegt, dass die HDT aus aerodynamischer Sicht deutliche Einbußen im Wirkungsgrad zu verzeichnen hat.
Gegenstand ist ebenfalls die Kühlung und der Wärmeübergang in der HDT; es wird die Robustheit des konventionellen Kühldesigns hinsichtlich der veränderten Zuströmbedingung analysiert.
Abschließend können anhand der aerothermalen Analyse und den darin gewonnenen Erkenntnissen Designrichtlinien für ein robusteres HDT-Design im speziellen Anwendungsfall einer drucksteigernden Verbrennung bestimmt werden.
Aktualisiert: 2022-06-03
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Die Rotorschaufel der ersten Stufe einer Hochdruckturbine ist eines der am stärksten belasteten Bauteile in einem Flugzeugtriebwerk. Dies gilt sowohl für die strukturellen als auch thermalen Lasten. An der Auslegung dieser Komponente sind mehrere Disziplinen beteiligt: Aerodynamik, Kühlung, Struktur- und Lebensdauerberechnung. In dieser Arbeit werden verschiedene Teilgebiete der Rotorschaufel betrachtet. Hierzu werden bestehende Arbeitsprozesse aufgegriffen und weiterentwickelt. Daraufhin werden unterschiedliche Optimierungen durchgeführt.
Dazu gehört die Schaufel-Scheibe-Verbindung, die maßgeblich die Drehzahl der Hochdruckwelle begrenzt. Gegenstand der Untersuchung ist der Einfluss der Geometrieparametrisierung auf den gesamten Auslegungsprozess. Zielgröße der Optimierungen ist eine gleichmäßige Spannungsverteilung innerhalb kritischer Regionen.
Kernthema dieser Arbeit ist die Auslegung der Kühlung der Rotorschaufel. Es werden geometrische Parameter der Filmkühlbohrungen und Turbulatoren einer vorliegenden Kühlungskonfiguration variiert. Zielgrößen der Optimierungen sind möglichst geringe Oberflächentemperaturen auf der Schaufel bei gleichzeitig geringem Kühlungsmassenstrom. Mehrere Algorithmen und Formulierungen werden dabei miteinander verglichen.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verwendung von Antwortflächen zur Beschleunigung der Auslegung. Hierbei steht die Vertrauenswürdigkeit der dazugehörigen Methoden im Vordergrund. Dies umfasst die Antwortflächenerstellung und deren Qualitätsbewertung. An dieser Stelle wird eine gleichzeitige Mehr-Ziel- und Robustheitsoptimierung der Spannungs- und Lebensdauerberechnung der Rotorschaufel durchgeführt.
Aktualisiert: 2020-07-08
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