Starke, Christoph (2012)
Abschätzung von Wärmeverlusten in der Konstruktionsphase von Turbinen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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