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Abschätzung von Wärmeverlusten in der Konstruktionsphase von Turbinen

Starke, Christoph :
Abschätzung von Wärmeverlusten in der Konstruktionsphase von Turbinen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Abschätzung von Wärmeverlusten in der Konstruktionsphase von Turbinen
Language: German
Abstract:

Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem die Hochdruckturbine durchströmen­den Gas und ihrer Umgebung treten zwangsweise Wärmeströme auf. Die vorliegende Arbeit behandelt die auftretenden Wärmeströme als Verlustmechanismus, der die von der Turbine abgegebene Leistung verringert.

Die der Arbeit zu Grunde liegende Voruntersuchung der Relevanz und Beachtung von Wärmeverlusten in der Hochdruckturbine zeigt zwei Aspekte:

Erstens werden Wärmeverluste bei heutigen Triebwerksentwicklungen noch nicht ausrei­chend bilanziert. Teilweise werden die resultierenden Leistungseinbußen zwar beachtet, dies geschieht jedoch nur punktuell.

Zweitens erreichen die Wärmeverluste bei aktuellen Triebwerksprojekten technisch rele­vante Größen. Wegen der hohen Sensibilität von Leistungsdaten, aber auch wegen der feh­lenden Bilanzierung ist es allerdings schwierig, hier konkrete Zahlen zu nennen. Man kann grob von einer Größenordnung von 0,5 bis 1% der adiabaten Turbinenleistung ausgehen. Die Tendenz zu kleineren Kerntriebwerken und höheren Eintrittstemperaturen lassen für die Zukunft ein weiteres Anwachsen der Wärmeverluste vermuten. Die wachsende Bedeutung der aus der Turbine austretenden Wärmeströme als Verlustmechanismus kann insofern als gegebene Voraussetzung für die vorgestellte Arbeit angesehen werden.

Die Betrachtung der existierenden Thermalmethoden zeigt, dass nicht etwa fehlende oder unausgereifte Methoden der Grund für die mangelnde Bilanzierung von Wärmeverlus­ten sind. Vielmehr ist die komplexe Kopplung in Verbindung mit einer hohen Sensitivität hinsichtlich Geometriedetails bei der Modellierung das Problem.

Die im Rahmen dieser Arbeit aufgestellte These, dass eine Bilanzierung der Wärmeströ­me und der daraus resultierenden Leistungseinbußen konsequent von der Vorauslegung an durchgeführt werden sollte, führt zu abgeleiteten Anforderungen an ein praktisch einsetz­bares Werkzeug: Schon mit wenigen, globalen Daten müssen erste Abschätzungen der Wär­meverluste möglich sein. Ein konsequentes Einpflegen der im Entwicklungsprozess entste­henden detaillierten Daten soll entwicklungsbegleitend erfolgen können. Die Anwendbar­keit des entwickelten Modells im industriellen Kontext steht hier klar im Vordergrund.

Das entwickelte Modell basiert auf zwei miteinander gekoppelten Gleichungssystemen. Das eine System besteht aus Energiebilanzen zur Bestimmung der Fluidtemperaturen, das andere aus Wärmewiderständen zur Bestimmung der Wärmeströme. Zusätzlich enthält das Modell Gleichungen zur Quantifizierung der Leistungseinbußen an den Rotoren, die als Fol­ge der Wärmeverluste auftreten. Die Anwendung des Wärmeverlustmodells setzt sich aus drei Schritten zusammen: Zuerst wird das Modell an einem Referenzfall kalibriert. Danach wird es durch eine Skalierung der Wärmewiderstände auf den Auslegungsfall übertragen. Die Skalierung basiert hauptsächlich auf Reynoldszahlen und kann mit vertretbarem Auf­wand schon in der frühen Vorauslegung durchgeführt werden. Danach werden in einem „Detaillierung“ genannten Schritt Berechnungsergebnisse eingepflegt, um die Vorhersagege­nauigkeit sukzessive zu erhöhen.

Die notwendige Verifizierung der Teilaspekte der entwickelten Modellierung stellt einen wichtigen Punkt der Arbeit dar. Die Relevanz der Wärmeverlustmodellierung wurde unter­sucht, indem das Modell auf das Ergebnis einer exemplarischen aerodynamischen Optimie­rung aus der Vorauslegung angewendet wurde. Das Anwendungsbeispiel bestätigt, dass ae­rodynamische Veränderungen durch die resultierenden Änderungen der Wärmeverluste kompensiert werden können und belegt dadurch die These, dass eine frühe Bilanzierung der Wärmeverluste in der Auslegung sinnvoll ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In a turbine, heat fluxes appear as a consequence of the temperature difference between the hot gas path and the surrounding regions. The present work concentrates on heat fluxes as a loss mechanism leading to a decreased power output of the turbine. A pilot survey considering the relevance and the observance of heat losses in a turbine design leads to two aspects: First, the heat losses are not considered adequately in a contemporary turbine design process. At most, the loss mechanism is only partially considered. Second, the heat losses reach a relevant amount of energy in modern gas turbine designs. Due to the high sensibility of this data but also due to the missing observance, it is difficult to present precise numbers. Roughly, the heat losses can be estimated between 0.5 and 1% of the adiabatic turbine power. The tendency towards smaller core components and higher inlet temperatures will lead to a further increase in the future. The increasing importance of heat fluxes as loss mechanism can be seen as a basement for this work. The examination of the existing thermal methods shows that missing or crude methods are not valid as reason for the missing observance. The reason is rather that the aero-thermal analysis is highly coupled and very sensitive to geometrical details. The main assumption of this work states that the heat fluxes must be observed from the early design phase on. This is leading to following consequences: Estimation have to be possible based on very few data. It must be possible to enhance the prediction quality by step-by-step incorporating new data becoming available. The main requirement of the presented method was its feasibility in a real design process. The method is based on two coupled sets of equations. One set consists of energy balances to determine the fluid temperatures while the other represents the heat resistances. Both result in the heat fluxes of the turbine. Additionally, the method contains an estimation of the turbine power decrease based on the resulting heat fluxes. The model is applied in three steps: First, the model has to be calibrated on an existing design. Then, the model will be scaled to the new design. The scaling is mainly based on Reynolds numbers and requires very few and global data only. Finally, a process called “detailing“ offers to incorporate results from more detailed analyses appearing during the design process. This will continuously enhance the prediction quality. The verification of all aspects included in the model was a further important point of this work. The relevance of the heat losses was addressed by applying the model on the results of a through flow optimisation. The application example confirms that aerodynamic gains in efficiency can be more than compensated by rising heat fluxes. This underlines the importance of the developed method.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 20 Dec 2012 09:09
Last Modified: 20 Dec 2012 09:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31623
Referees: Schiffer, Prof. Dr.- Heinz-Peter and Janicka, Prof. Dr.- Johannes
Refereed: 18 April 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3162
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