Zur Gewährleistung der Funktion und aus Gründen der Betriebssicherheit ist zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse einer Axialturbine ein Spalt erforderlich. Durch die hiermit verbundene Spaltströmung entstehen in der Turbomaschine erhebliche Verluste. Während Spaltverluste bei inkompressiblen Bedingungen detailliert in der Literatur beschrieben sind, liegen bisher nur sehr wenige experimentell gesicherte Erkenntnisse zu kompressiblen und transsonischen Spaltströmungen vor. Viele moderne Turbinen mit hoher Leistungsdichte, wie beispielsweise Hochdruckstufen axialer Gasturbinen oder Niederdruckstufen von Kondensationsdampfturbinen, arbeiten jedoch bei transsonischen Strömungsgeschwindigkeiten. Ziel dieser Arbeit ist daher die Beschreibung und Analyse der Spaltströmung im Schaufelgitter und in der Abströmung auf Basis detaillierter experimenteller Versuchsreihen. Ergebnisse werde für zwei Versuchsaufbauten von unterschiedlicher Komplexität vorgestellt. Anhand eines idealisierten Spaltmodells werden zunächst grundlegende Effekte transsonischer Spaltströmungen aufgezeigt.
Die anschließende systematische Untersuchung der Spaltverluste bei verschiedenen Spaltweiten, Abström-Machzahlen und Anstellwinkeln erfolgt an einem linearen Schaufelgitter am transsonischen Gitterwindkanal des Laboratoriums für Strömungsmaschinen der Helmut-Schmidt-Universität.
Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Messdaten erlauben somit erstmals die Beschreibung transsonischer Schaufel-Spaltströmungen in diesem Umfang und können in zukünftigen Arbeiten zur Validierung numerischer Verfahren verwendet werden.
Aktualisiert: 2021-08-30
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Im strukturdynamischen Auslegungsprozess von Turbomaschinenlaufrädern ist die Berücksichtigung von schaufelindividuellen Imperfektionen von großer Bedeutung. Während bei der idealisierten Betrachtung der Laufräder die Schwingungsenergie über die einzelnen Schaufelsegmente gleichverteilt ist, so kommt es unter Berücksichtigung von Verstimmungen zur Lokalisierung der Schwingungsenergie. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur rechenzeiteffizienten Analyse von verstimmten, rotierenden Laufrädern.
Unter Verwendung von system- und komponentenmodenbasierter Modellordnungsreduktion sowie eines Ansatzes zur Approximation der sich aus der Laufradrotation ergebenden Zusatzmatrizen erfolgt die Validierung der Vorhersagegenauigkeit des freien- und erzwungenen Schwingungsverhaltens am Beispiel einer Verdichterbeschaufelung.
Basierend auf der durch den Einsatz geeigneter Reduktionstechniken erzielbaren Rechenzeitersparnis wird die maximal mögliche Amplitudenüberhöhung sowie das Phänomen der Amplitudenreduktion auf Basis von probabilistischen Analysen und heuristischen Optimierungsberechnungen untersucht. Neben der Gegenüberstellung von numerischen Resultaten und Ergebnissen aus analytischen Formulierungen wird der Einfluss des Coriolis-Effektes diskutiert.
Zur Identifikation von strukturellen Verstimmungen wird ein neuer analytischer Identifikationsansatz hergeleitet und seine Eignung in numerischen Untersuchungen gezeigt. Abschließend erfolgt die realitätsnahe Validierung des neuen Identifikationsansatzes sowie eines weiteren analytischen und heuristischen Identifikationsansatzes auf Basis von Messdaten. Als Eingangsgrößen zur Verstimmungsidentifikation dient das aus einer experimentellen Modalanalyse extrahierte Eigenschwingungsverhalten einer Verdichterbeschaufelung.
Aktualisiert: 2021-07-15
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Aktualisiert: 2023-03-14
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Aktualisiert: 2023-04-01
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Aktualisiert: 2023-04-01
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- Studierende des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik
Aktualisiert: 2023-04-07
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- Studierende des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik
Aktualisiert: 2023-04-04
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Schon seit Jahrzehnten verfolgt die Gasturbinenforschung das Ziel Primärenergieträger in elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad zu wandeln. Zusätzlich zur hohen Effizienz müssen Gasturbinen in der heutigen Zeit auch in der Lage sein, unter flexibler Last zuverlässig zu funktionieren. Durch den Einfluss von dezentraler Energiewandlung aus erneuerbaren Quellen ist das elektrische Netz immer größeren Schwankungen ausgesetzt. Dies wirkt sich vor allem auf die hoch belasteten Oberflächen der ersten Leitschaufelreihe aus, die mit möglichst wenig Luft bei unterschiedlichen Betriebspunkten zuverlässig gekühlt werden müssen. Das Kühlsystem und speziell die Filmkühlung nimmt deshalb bei der Forschung über Gasturbinen eine Schlüsselrolle ein.
Bei der Entwicklung von neuen Kühlungstechnologien kann aus Kostengründen im universitären Umfeld keine reale Gasturbine für Testläufe verwendet werden. In einem Komponententest wird die Gasturbine bei reduzierten Druck- und Temperaturbedingungen mit einer Kaskade modelliert. Durch die Einhaltung von dimensionslosen Kennzahlen können die Ergebnisse jedoch direkt auf den realen Fall appliziert werden. Eine gesuchte Größe ist die Wärmebelastung, die mit einem Modell auf die realen Bedingungen umgerechnet werden kann. Das Potential zur Reduzierung des Modellfehlers bei Versuchen mit hohem Druck und hoher Temperatur wird in dieser Arbeit erläutert. Bei einer exakten Vorhersage der Belastung kann im Rückschluss die Kühlluft effizienter eingesetzt werden. Auf dieser Basis wird die Realisierung mit einem Heißgasprüfstand am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen der Technischen Universität Kaiserslautern gezeigt.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Aktualisiert: 2023-04-04
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Aktualisiert: 2023-04-04
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