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Quantifizierung von Sperrluft-Hauptstrom-Interaktionen in einer Turbine

Linker, Matthias Claudius :
Quantifizierung von Sperrluft-Hauptstrom-Interaktionen in einer Turbine.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quantifizierung von Sperrluft-Hauptstrom-Interaktionen in einer Turbine
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Dissertationsschrift ist das Resultat der Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet GLR der TU Darmstadt. Sie befasst sich mit der Interaktion von Sperrluftströmen mit der Hauptströmung in Gasturbinen und Flugtriebwerken. Dabei zielt der Inhalt nicht nur auf die reine Beschreibung der Interaktionen, sondern auch auf die notwendigen Voraussetzungen, die ein Turbinenprüfstand zur wissenschaftlichen Beschreibung der Phänomene besitzen muss.

In Gasturbinen und Flugtriebwerken herrschen im Hauptströmungskanal Heißgastemperaturen, die mehrere hundert Grad Celsius oberhalb der zulässigen Materialtemperaturen liegen. Der Hauptströmungskanal ist nicht geschlossen. Die abwechselnd stehend und rotierend angeordneten Turbinenschaufeln erfordern Spalte, um z.B. Wärmedehnungen zu ermöglichen. Durch Sperrluft wird verhindert, dass die heißen Gase durch Spalte in Bereiche außerhalb des Hauptströmungskanals eindringen und die dortigen Komponenten thermisch überlasten. Eine thermische Überlastung führt zur Minderung der Lebensdauer und kann im Extremfall zum Totalverlust von Komponenten, dem Triebwerk und ggf. auch dem Flugzeug führen. Die konservative Auslegung der Sperr- und Kühlluftsysteme hat eine höhere Ausblasung von Sperrluft in den Hauptströmungskanal als notwendig zur Folge. Dadurch entstehen zusätzliche Verluste, die im Rahmen dieser Arbeit quantifiziert werden.

In der vorliegenden Schrift wird erläutert, welche Eigenschaften ein Turbinenprüfstand erfüllen muss, um mit realen Turbinen vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Dabei werden dimensionslose Kennzahlen realer Gasturbinen betrachtet und auf einen Prüfstand projiziert. Der daraus hervorgegangene Prüfstand wird beschrieben und durch seine wesentlichen Kenngrößen charakterisiert.

Die Ergebnisse dieser Arbeit quantifizieren die Wirkungsgradänderungen, die in Gasturbinen durch veränderte Sperrluftausblasemengen resultieren. Detaillierte Strömungsfeldvermessungen liefern Informationen über die Ursachen der Wirkungsgradänderungen. Mit den Erkenntnissen kann bei zukünftigen Turbinenentwicklungen der Sperrluftbedarf reduziert werden, was einen direkten positiven Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad eines Triebwerkes hat. Ebenso können Strömungsverluste in einer Turbine mit Hilfe der erhaltenen Ergebnisse reduziert werden. Eine genaue Kenntnis der Effekte wird helfen, die Zuverlässigkeit und Einsatzdauer von Turbinen zu erhöhen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis describes the results of my employment as research assistant at the chair of Gasturbines and Aerospace Propulsion at Technische Universität Darmstadt. Scope is the interaction between seal air flows and main annulus air flows in gasturbines and jet engines. The content is not only limited to description of aerodynamic interactions, it also focuses on test rig requirements for research turbines. Main air flow temperatures in turbines of jet engines and gasturbines exceed tolerable material temperatures by several hundred degrees Celcius. Hot gases can pass from main flow channel to nearby cavities through gaps that are required due to thermal expansion of rotating and non-rotating components. This can lead to a thermal overload of components and causes reduction of life cycle or components damages with danger of jet engine or aeroplane. Seal air reduces or prevents hot gas flow through seals into the cavities. Conservative designs lead to higher seal air mass flows than required, leading to additional losses, which are quantified in this thesis. This document describes the necessary characteristics, which have to be fulfilled by a research turbine test rig, to compare research turbine results with real engine conditions. Dimensionless quantities from real gas turbines will be adjusted in the research turbine test rig. The developed and designed turbine test rig is specified and described. Measurement results obtained for this thesis show the influence of seal air injection on main gas path and turbine efficiency. The reasons of these efficiency variations are interpreted out of detailed flow field charts. This doctoral thesis quantifies efficiency variations in gasturbines an jet engines caused by different seal air mass flows. It delivers informations about the reasons of efficiency variations. Engineers can use these results to optimize and reduce seal air flows to improve turbine efficiencies. Reliability and life cycles of turbines can be increased with the knowledge from this thesis.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Turbine, Turbinenkühlung, Sperrluft, Turbinenwirkungsgrad, Wirkungsgrad, Messungen, Turbinenprüfstand, experimentelle Arbeit, Modellturbine, LSTR, Large Scale Turbine Rig, MAGPI, Reynoldsähnlichkeit
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Turbine, Turbine Cooling, Seal Air, Turbine Efficiency, Efficiency, Measurements, Turbine Test Rig, Experiments, LSTR, Large Scale Turbine Rig, Reynolds NumberEnglish
Classification DDC: 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: 06 Feb 2014 07:15
Last Modified: 06 Feb 2014 07:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36988
Referees: Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter and Vogeler, Prof. Dr. Konrad
Refereed: 13 February 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3698
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