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Einfluss der drallbehafteten Brennkammerströmung auf die Hochdruckturbine

Giller, Lucas (2015)
Einfluss der drallbehafteten Brennkammerströmung auf die Hochdruckturbine.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die kontinuierliche Steigerung der Effizienz sowie die Senkung deren Emissionen sind die wichtigsten Ziele bei der Entwicklung von Gasturbinen. Dies hat in der Vergangenheit zu einer stetigen Optimierung der Einzelkomponenten geführt. Jedoch wird es aufgrund von deren hohen Entwicklungsgraden immer schwieriger, eine weitere Steigerung der Komponentenwirkungsgrade zu erreichen. Obwohl zu erwarten ist, dass neue Technologien und Erkenntnisse wie die Magerverbrennung auch weiterhin zu Fortschritten führen werden, müssen zusätzliche Wege gefunden werden, um den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine zu steigern. Die Betrachtung der Interaktionen der Brennkammer und der Hochdruckturbine sowie die Anwendung der hieraus gewonnenen Erkenntnisse weisen ein großes Potential zur Wirkungsgradsteigerung auf. Dies rührt daher, dass die in immer mehr Brennkammern eingesetzte Magerverbrennung zwar eine geringere Emissionsneigung in Bezug auf Stickoxide besitzt, jedoch prinzipbedingt eine stark verdrallte Strömung am Brennkammeraustritt vorliegt, was große Auswirkungen auf die Strömung in der Turbine hat.

Die hier beschriebene Arbeit hat das Ziel, die aerodynamischen Wechselwirkungen der drallbehafteten Brennkammeraustrittsströmung mit der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine zu untersuchen. Weiterhin werden modellhaft die Auswirkungen der Drallströmung auf die Kühlfilme der Statorschaufeln betrachtet. Hierdurch soll zum einen eine aerodynamische Optimierung der Schaufelgeometrie und zum anderen eine verbesserte Kühlfilmlegung ermöglicht werden, wodurch Kühlluft eingespart werden könnte. Zu diesem Zweck wurde eine ebene Schaufelkaskade aufgebaut. Diese besteht aus fünf Schaufeln, welche die Statorschaufeln darstellen, sowie sechs Drallerzeugern, die die Drallbrenner einer Brennkammer nachbilden. Weiterhin sind die Kaskadenschaufeln mit Filmkühlbohrungen zur Ausblasung von Sekundärluft ausgestattet. Im Zuge der Untersuchungen wurden verschiedene Parameter variiert. Diese sind die Drallzahl der Drallerzeuger, die Distanz zwischen den Drallerzeugern und der Schaufelkaskade sowie die Ausblaserate der Sekundärluft.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen bei einer verdrallten Zuströmung auf das Schaufelgitter große Unterschiede zu dem in der Vergangenheit betrachteten Fall der axialen Zuströmung. Bei der Untersuchung der Schaufelkaskade sind keine bekannten Sekundärströmungen in den Passagen sowie sichtbare Schaufelnachläufe in der Abströmung der Kaskade sichtbar. Vielmehr wird die gesamte Strömung durch den Eintrittsdrall dominiert, was zur Bildung von verschiedenen neuen Wirbeln und Verlustkernen führt. Weiterhin kommt es zu einem Kippen der Staulinien an den Schaufelvorderkanten, was in bestimmten Bereichen zu Umschlägen der Kühlfilme zu den nicht gewünschten Seiten der Schaufeln führt. Dieses Phänomen zieht große ungekühlte Bereiche auf den Schaufeloberflächen nach sich. Diese Erkenntnisse zeigen die Unumgänglichkeit auf, die drallförmige Brennkammeraustrittströmung bei der Auslegung der Schaufelgeometrie und des Filmkühlsystems der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine zu berücksichtigen. Weiterhin muss die veränderte Abströmung der Statorschaufeln bei der Auslegung des stromab folgenden Rotors beachtet werden.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2015
Autor(en): Giller, Lucas
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Einfluss der drallbehafteten Brennkammerströmung auf die Hochdruckturbine
Sprache: Deutsch
Referenten: Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter ; Janicka, Prof. Dr. Johannes
Publikationsjahr: 2 März 2015
Datum der mündlichen Prüfung: 5 November 2014
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4243
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die kontinuierliche Steigerung der Effizienz sowie die Senkung deren Emissionen sind die wichtigsten Ziele bei der Entwicklung von Gasturbinen. Dies hat in der Vergangenheit zu einer stetigen Optimierung der Einzelkomponenten geführt. Jedoch wird es aufgrund von deren hohen Entwicklungsgraden immer schwieriger, eine weitere Steigerung der Komponentenwirkungsgrade zu erreichen. Obwohl zu erwarten ist, dass neue Technologien und Erkenntnisse wie die Magerverbrennung auch weiterhin zu Fortschritten führen werden, müssen zusätzliche Wege gefunden werden, um den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine zu steigern. Die Betrachtung der Interaktionen der Brennkammer und der Hochdruckturbine sowie die Anwendung der hieraus gewonnenen Erkenntnisse weisen ein großes Potential zur Wirkungsgradsteigerung auf. Dies rührt daher, dass die in immer mehr Brennkammern eingesetzte Magerverbrennung zwar eine geringere Emissionsneigung in Bezug auf Stickoxide besitzt, jedoch prinzipbedingt eine stark verdrallte Strömung am Brennkammeraustritt vorliegt, was große Auswirkungen auf die Strömung in der Turbine hat.

Die hier beschriebene Arbeit hat das Ziel, die aerodynamischen Wechselwirkungen der drallbehafteten Brennkammeraustrittsströmung mit der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine zu untersuchen. Weiterhin werden modellhaft die Auswirkungen der Drallströmung auf die Kühlfilme der Statorschaufeln betrachtet. Hierdurch soll zum einen eine aerodynamische Optimierung der Schaufelgeometrie und zum anderen eine verbesserte Kühlfilmlegung ermöglicht werden, wodurch Kühlluft eingespart werden könnte. Zu diesem Zweck wurde eine ebene Schaufelkaskade aufgebaut. Diese besteht aus fünf Schaufeln, welche die Statorschaufeln darstellen, sowie sechs Drallerzeugern, die die Drallbrenner einer Brennkammer nachbilden. Weiterhin sind die Kaskadenschaufeln mit Filmkühlbohrungen zur Ausblasung von Sekundärluft ausgestattet. Im Zuge der Untersuchungen wurden verschiedene Parameter variiert. Diese sind die Drallzahl der Drallerzeuger, die Distanz zwischen den Drallerzeugern und der Schaufelkaskade sowie die Ausblaserate der Sekundärluft.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen bei einer verdrallten Zuströmung auf das Schaufelgitter große Unterschiede zu dem in der Vergangenheit betrachteten Fall der axialen Zuströmung. Bei der Untersuchung der Schaufelkaskade sind keine bekannten Sekundärströmungen in den Passagen sowie sichtbare Schaufelnachläufe in der Abströmung der Kaskade sichtbar. Vielmehr wird die gesamte Strömung durch den Eintrittsdrall dominiert, was zur Bildung von verschiedenen neuen Wirbeln und Verlustkernen führt. Weiterhin kommt es zu einem Kippen der Staulinien an den Schaufelvorderkanten, was in bestimmten Bereichen zu Umschlägen der Kühlfilme zu den nicht gewünschten Seiten der Schaufeln führt. Dieses Phänomen zieht große ungekühlte Bereiche auf den Schaufeloberflächen nach sich. Diese Erkenntnisse zeigen die Unumgänglichkeit auf, die drallförmige Brennkammeraustrittströmung bei der Auslegung der Schaufelgeometrie und des Filmkühlsystems der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine zu berücksichtigen. Weiterhin muss die veränderte Abströmung der Statorschaufeln bei der Auslegung des stromab folgenden Rotors beachtet werden.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

The continuous increase of the efficiency as well as the reduction of the emissions are the most important objectives in the development of gas turbines which has lead to a steady optimization of the individual components. However, because of their high sophistication, further improvements of the component efficiencies are becoming more and more difficult. Even though it is to be expected that new technologies and new findings like lean combustion will lead to futher improvements, additional ways have to be found to raise the total efficiency of the gas turbine. The examination of the interactions of the combustor and the high pressure turbine and the application of the gained knowledge has a great potential to increase the efficiency. The reason for this is that although the lean combustion technology, which is applied in more and more combustors, has lower nitrogen oxides emissions, will result in the prevalence of a strong swirl at the combustor exit. This will affect the flowfield inside the turbine.

The described work has the objective to investigate the aerodynamic interactions of the swirling combustor outflow with the first row of nozzle guide vanes of the high pressure turbine. Furthermore, the impact of the swirl on the cooling films of the nozzle guide vanes is examined. Thereby, an aerodynamic optimization of the vane geometry and an improved layering of the cooling film to decrease the amount of cooling air needed should be made possible. For this purpose, a linear vane cascade consisting of five vanes which represent the nozzle guide vanes and six swirl generators simulating the combustion swirlers have been constructed. Furthermore, the cascade vanes are equipped with film cooling holes for the ejection of cooling air. During the investigations, several parameters have been varied. These are the swirl number of the swirl generators, the distance between the swirl generators and the vane cascade and the blowing ratio of the cooling air.

The results of the investigations show huge differences in case of a swirling inflow of the vane cascade to the previously regarded case of axial inflow. During the aerodynamic examinations of the vane cascade, no known secondary flow structures in the passages as well as vane wakes downstream of the cascade are visible. Rather, the whole flow field is dominated by the swirl which is present in the inflow of the cascade. This results in the generation of several new vortices and loss cores. Furthermore, the stagnation lines at the leading edges of the vanes are tilted. This results in shifts of the cooling films towards the wrong sides of the vanes. This effect leads to large uncooled areas on the vane surfaces. The results show that it is indispensable to consider the swirling combustor outflow while designing the vane geometry and the cooling system of the first row of nozzle guide vanes of the high pressure turbine. Furthermore, the altered outflow of the nozzle guide vanes has to be considered during the design phase of the downstream rotor.

Englisch
Freie Schlagworte: Drall, Brennkammer-Turbine-Interaktion, Turbine, Filmkühlung, Schaufelkaskade, Gasturbine
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
Swirl, Combustor-Turbine-Interaction, Turbine, Film Cooling, Vane Cascade, Gas TurbineEnglisch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42430
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe (GLR)
Hinterlegungsdatum: 22 Mär 2015 20:55
Letzte Änderung: 16 Apr 2018 15:44
PPN:
Referenten: Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter ; Janicka, Prof. Dr. Johannes
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 November 2014
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
Swirl, Combustor-Turbine-Interaction, Turbine, Film Cooling, Vane Cascade, Gas TurbineEnglisch
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