D. Woelki, D. Peitsch

Die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads von Gasturbinen wird unter anderem durch die Steigerung der Turbineneintrittstemperatur realisiert. Die damit einhergehenden wachsenden Anforderungen an die Kühlung der Turbine machen dabei eine deutliche Erhöhung der vom Sekundärluftsystem bereitgestellten Kühlluft nötig. Darüber hinaus deckt das Sekundärluftsystem eine Reihe weiterer Aufgaben zum sicheren Betrieb der Gasturbine ab. Allerdings führt die Luftentnahme im Verdichter zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust für den Kreisprozess, da die bereits komprimierte Luft nicht für die Verbrennung genutzt werden kann. Ein Mehrbedarf an Kühlluft wirkt daher dem durch höhere Prozesstemperaturen erzielten Gewinn im thermischen Wirkungsgrad entgegen. Konventionelle Sekundärluftsysteme von Flugtriebwerken werden ohne eine Regelung ausgelegt. Ihre Auslegung erfolgt deshalb auf kritische Betriebspunkte hin. Allerdings fallen die Anforderungen der Verbraucher des Luftsystems in verschiedenen Betriebspunkten sehr unterschiedlich aus. Ein starr ausgelegtes System stellt daher über weite Teile des Betriebsbereichs zu große Massenströme zur Verfügung. Demgegenüber könnten die einzelnen Massenströme durch ein flexibles Sekundärluftsystem besser an die Anforderungen im jeweiligen Betriebspunkt angepasst werden. Dies würde in einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades und somit einer erheblichen Verringerung des Treibstoffverbrauchs für die Gesamtmission des Flugzeuges resultieren. Gleiches gilt, wenn auch mit anderen Randbedingungen, für stationäre Gasturbinen, die z. B. für die Stromproduktion eingesetzt werden. Dieses Paper setzt an der Auslegung eines solchen flexiblen Sekundärluftsystems an. Die hierfür gewählte Methodik verbindet die Triebwerksleistungsrechnung als Simulation des Gesamtsystems Gasturbine mit einer detaillierten Modellierung des Sekundärluftsystems. Dieses gekoppelte Modell lässt Untersuchungen zur Optimierung von Sekundärluftmassenströmen über den gesamten Betriebsbereich zu. Dabei sollen insbesondere die Auswirkungen variabler Luftmassenströme auf die vom Luftsystem beeinflussten Komponenten sowie das Leistungsverhalten der Maschine beleuchtet werden. Der Einsatzbereich der Methodik beschränkt sich dabei nicht auf Luftfahrtantriebe, sondern ist unabhängig von der Applikation der Gasturbine. Neben den zentralen Modellen für die Leistungsrechnung und das Sekundärluftsystem werden weitere für eine erfolgreiche Kopplung benötigte Modelle vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Abbildung aller für das Luftsystem relevanten Effekte, wie der Berücksichtigung von Wärmeübergängen, veränderten Dichtungsspaltgeometrien und der Korrektur der Luftentnahmestellen im Leistungsrechnungsmodell. Darüber hinaus wird die Umsetzung dieser Methodik in einer modularen Simulationsumgebung vorgestellt. Letztere wird unter dem Gesichtspunkt einer möglichen Erweiterung der vorhandenen Modellierung und einer einfachen Anbindung alternativer Simulationstools, z. B. firmeneigener Software, entwickelt.

Increasing the thermal efficiency of gas turbines is achieved, among other things, by raising the turbine inlet temperature. The resulting increased demands on turbine cooling necessitate a significant increase in the cooling air supplied by the secondary air system. Furthermore, the secondary air system performs a number of other tasks to ensure the safe operation of the gas turbine. However, air extraction in the compressor leads to a considerable loss of efficiency for the cycle, as the already compressed air cannot be used for combustion. Therefore, the increased cooling air requirement counteracts the gain in thermal efficiency achieved through higher process temperatures. Conventional secondary air systems in aircraft engines are designed without any control mechanism. Their design is thus based on critical operating points. However, the requirements of the air system's consumers vary considerably across different operating points. A rigidly designed system therefore provides excessively high mass flow rates over large portions of the operating range. In contrast, a flexible secondary air system could better adapt the individual mass flow rates to the requirements of each operating point. This would result in an increase in overall efficiency and thus a significant reduction in fuel consumption for the aircraft's overall mission. The same applies, albeit with different boundary conditions, to stationary gas turbines used, for example, for power generation. This paper focuses on the design of such a flexible secondary air system. The methodology chosen combines engine performance calculations as a simulation of the entire gas turbine system with a detailed model of the secondary air system. This coupled model allows for investigations into the optimization of secondary air mass flows across the entire operating range. In particular, the effects of variable air mass flows on the components influenced by the air system, as well as the performance of the aircraft, will be examined. The applicability of the methodology is not limited to aircraft engines but is independent of the gas turbine application. In addition to the central models for performance calculation and the secondary air system, further models required for successful coupling are presented. The focus here is on representing all effects relevant to the air system, such as considering heat transfer, altered seal gap geometries, and correcting air intake points in the performance calculation model. Furthermore, the implementation of this methodology in a modular simulation environment is presented. The latter is being developed with a view to potentially extending the existing model and easily integrating alternative simulation tools, such as proprietary software.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2014, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2015

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 9 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2015012312500

Off-Design, Sekundärluftsystem

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23.01.2015