Optimierung des stationären Betriebsverhaltens von Zweiwellentriebwerken durch angepasste Leitradverstellung im Hochdruckverdichter

In modernen Fluggasturbinen werden zum Druckaufbau heutzutage vorrangig vielstufige Axialverdichter eingesetzt. Diese neigen unter zu hoher Androsselung zu Strömungsablösungen. Das Verlassen des stabilen Strömungsbereiches kann gravierende Folgen für die strukturelle Integrität des Verdichters und damit des gesamten Triebwerks haben. Durch den effektiven Einsatz von stabilisierenden Mßnahmen kann das Auftreten der kritischen Zustände vermieden werden. Als eine zuverlässige Maßnahme zur Strömungsstabilisierung haben sich variable Verdichterleitschaufeln etabliert. Sie korrigieren die Anströmung für den folgenden Rotor und helfen damit, Ablösung zu vermeiden. Neben dem stabilisierenden Einfluss auf die Strömung kann durch Anpassung der Verstellwinkel der variablen Leitschaufeln der Wirkungsgrad des Verdichters sowie die Güte des gesamten Triebwerkskreisprozesses beeinflusst werden. Die optimalen Leitschaufelverstellwinkel werden konventionell für den Verdichter im Einzelbetrieb hergeleitet. Durch den Einfluss der anderen Komponenten während des Triebwerksbetriebs kann das auf diesen Verstellwinkeln basierende Verstellgesetz ineffizient werden. Zudem können Variationen der Betriebsbedingungen, Änderungen der Fluideigenschaften oder des Triebwerkszustandes zu Abweichungen vom idealen Betriebsverhalten und damit ebenfalls zur ineffizienten Nutzung des Verstellgesetzes führen. Hingegen kann ein betriebspunktabhängiges Verstellgesetz zur Verbesserung des Triebwerksbetriebs beitragen. Die zur Herleitung eines optimalen Leitschaufelverstellgesetzes vorrangig betrachteten Zielvorgaben hoher Pumpgrenzabstand und hoher Wirkungsgrad führen keinesfalls zu einheitlichen Anforderungen an die Verstellwinkel der variablen Hochdruckverdichterleitschaufeln. Für bestimmte Betriebsbereiche führt ein Öffnen der Leitschaufeln zu einem höheren Wirkungsgrad, verursacht aber gleichzeitig eine Reduktion des Pumpgrenzabstandes und umgekehrt. Demnach muss ein Kompromiss zwischen den Zielvorgaben gefunden werden. Die notwendige Grundlage dafür ist eine möglichst genaue Kenntnis der Interaktion zwischen Verdichter und den übrigen Komponenten des Triebwerks. Das Ziel dieser Arbeit ist, die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Komponente Verdichter und dem Gesamtsystem Triebwerk am Beispiel der variablen Leitschaufelverstellung von Hochdruckverdichtern axialer Bauweise näher zu beleuchten, und die Notwendigkeit für ein betriebspunktabhängiges Leitschaufelverstellgesetz aufzuzeigen. Zu diesem Zweck wird eine automatisierte Prozesskopplung implementiert, welche Modelle für die Triebwerksleistungsrechnung und die Verdichtermittelschnittrechnung miteinander verbindet. Innerhalb des gekoppelten Modells liefert die Mittelschnittrechnung detaillierte Informationen über die Arbeitsweise der einzelnen Verdichterstufen unter den betriebsbedingten - durch die Leistungsrechnung bestimmten - thermodynamischen Randbedingungen. Es werden zwei unterschiedliche Methoden zur Kopplung von Triebwerksleistungsrechnung und Verdichtermittelschnittrechnung vorgestellt, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden. In der Substitutionsmethode wird das Kennfeld vollständig durch das Verdichtermittelschnittverfahren ersetzt. Die Substitutionsmethode ist vorrangig im Vorauslegungsprozess des Triebwerks anzuwenden. Im weiteren Verlauf des Entwicklungsprozesses ist die Hybridmethode zu präferieren. Die Hybridmethode nutzt ein auf Messdaten basierendes Kennfeld und appliziert Effekte von Geometrieveränderungen aus der Mittelschnittrechnung. Mit dem entwickelten numerischen Werkzeug können die Auswirkungen von Komponentänderungen auf das Gesamtsystem und umgekehrt besser analysiert und verstanden werden. Das gekoppelte Modell erlaubt sowohl die Bewertung der Effizienz als auch der Stabilität des Verdichters durch die Leitschaufelverstellung im Kontext des Gesamtsystems. Kompromisslösungen für unterschiedliche Anforderungen verschiedener Komponenten können besser gefunden werden. Ebenso lassen sich Verbesserungen des Triebwerksbetriebs für verschiedene Flugbedingungen und Triebwerkszustände herleiten. Das in der betriebspunktabhängigen Leitschaufelverstellung verborgene Verbesserungspotential wirkt sich dabei ausschließlich auf eine Anpassung der Triebwerksregelungsgesetze aus und kommt ohne Änderung von Bauteilen aus. Die betriebspunktabhängige Anpassung der variablen Leitschaufelwinkel wird anhand des gekoppelten Modells über eine Optimierung mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten evolutionären Algorithmus realisiert. Die Ergebnisse dieser Optimierung werden ausführlich dargestellt und diskutiert. Es wird aufgezeigt, dass eine individuelle Ansteuerung der einzelnen Leitschaufelreihen im Vergleich zur konventionellen, mechanischen Kopplung Verbesserungspotential birgt. In Bereichen widersprüchlicher Anforderungen kann es sinnvoll sein, mittels Mehrzieloptimierung nach paretooptimalen Lösungsmengen zu suchen. Auf diese Weise kann eine Wichtung der Zielparameter im Anschluss an die Rechnung vorgenommen werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der spezifische Brennstoffverbrauch als Maß für die Triebwerksgüte durch die Verstellung der variablen Leitschaufeln beeinflusst wird. Dabei sind die beiden größten Hebel der Verdichterwirkungsgrad und der Turbinenwirkungsgrad. Im Vergleich zur Verdichteroptimierung im Einzelbetrieb befindet sich das Optimum der Leitschaufelwinkel für den Betrieb im Triebwerk bei einer deutlich weiter geschlossenen Leitschaufelstellung. Damit wird neben der Prozessgüte auch der Pumpgrenzabstand signifikant verbessert. Weiterhin wird das Potential einer Anpassung der variablen Leitschaufeln an unterschiedliche Betriebsbedingungen untersucht. Es werden die Verbesserungsmöglichkeiten bei verschiedenen Umgebungsbedingungen, Zapfluftentnahme, Triebwerksverschlechterung und Wassereintritt betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass Optimierungspotential für Zapfluftentnahme und flüssiges Wasser vorhanden ist. Hingegen zeigt eine Anpassung der Verstellwinkel an verschiedene Umgebungsbedingungen sowie den Triebwerkszustand nur wenig Möglichkeit zur Verbesserung. Mit der vorliegenden Arbeit wird eine interdisziplinäre Herangehensweise zur Untersuchung von komplexen Problemstellungen durch die Kopplung adäquater Modelle hergeleitet. Die Arbeitsweise wird am Beispiel des Zusammenwirkens von Verdichter und Gesamtsystem Triebwerk demonstriert. Die Verwendbarkeit des gekoppelten Modells geht dabei weit über die untersuchte Fragestellung zur betriebspunktabhängigen Leitschaufelanpassung im Verdichter hinaus und kann in allen Phasen der Triebwerksentwicklung sowie während des weiteren Lebenszyklus gewinnbringend eingesetzt werden.

Author dc:creator

• Bolemant, Martin

Advisor dc:contributor.advisor

• Peitsch, Dieter

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

https://doi.org/10.14279/depositonce-19185

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/20387