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Titel:

Modellierung variabler Sekundärluftsysteme zur Bewertung ihrer Auswirkungen auf das Gesamtsystem Gasturbine

Autor(en): D. Woelki, D. Peitsch
Zusammenfassung: 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.
Veranstaltung: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2014, Augsburg
Verlag, Ort: Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2015
Medientyp: Conference Paper
Sprache: deutsch
Format: 21,0 x 29,7 cm, 9 Seiten
URN: urn:nbn:de:101:1-2015012312500
Stichworte zum Inhalt: Off-Design, Sekundärluftsystem
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Veröffentlicht am: 23.01.2015