VL02: Gitter und Profile Flashcards
Prinzipielle Auslegung einer Turbomaschine
- Kundenanforderungen
- Rotationssymetrische Aerodynamische Auslegung / Ringraum / Geschwindigkeitsdreiecke
- Aerodynamische 2D-Profilierung des Schaufelblatts
- Konstruktion Schauffeln, Rotor, Gehäuse / Fertigung
- Luftsystem Kühlung / Temperatur der Bauteile / Festigkeit, Schwingungen
–> iterativer Prozess
wichtige Kriterien und Zielgrößen bei der Auslegung von Verdichtern
- Verteilung der Profilbelastung
- moderate Beschleunigungs- und Verzögerungsraten, v.a. an der Vorderkante
- Positionierung und Größenordnung des minimalen Drucks auf der Saugseite => Definition der nachfolgenden Strecke mit Verzögerung/Diffusion (front loading/aft loading)
- keine Ablösung und möglichst kleine Grenzschichtdicken
- keine senkrechten Stöße bei Überschallströmung auf der Saugseite
Schauffelgitte (Turbine oder Verdichter? Geschwindigkeitsniveau der Strömung bzw. des Rotors? Reaktionsgrad?)
- Turbine = dicke Profile
-Verdichter = schlanke Profile - Umlenkung? zur Achse -> Verdichter (Diffusorform) ; in die Umfangsrichtung -> Turbine
- Wenn spitzige Vorderkante = Überschall
- Verdichtungsstöße
- Diffusor vs. Düse in Verbindung mit der Geometrie der Vorderkante und Schaufelkrümmung
- Stator- und Rotorprofile sehr ähnlich = Reaktionsturbine (Reaktionsgrad ~ 0.5)
- unterschiedliche Stator- und Rotorprofile = Aktionsturbine (Reaktionsgrad ~ 0)
Gittergeometrie (9, skizzieren)
i : Inzidenzwinkel
β: An-/Abströmwinkel
ẟ : Deviationswinkel (Minderungswinkel)
φ : Wölbungswinkel zw. Anfang und Ende der Skelettlinie
θ : Schaufelwinkel zw. Skelettlinie und Sehne
s : Sehnenlänge
t : Teilung
t/s : relative Teilung
λ : Staffelungswinkel zw. Sehne und Senkrechter auf Gitterfront
Arbeitsprinzip der Turbomaschine
- Einbringen und Entziehen von Drall in die bzw. aus der Strömung
- Strömung wird nicht exakt dem Metall der Profile folgen (Minderumlenkung)
=> a = u2 * cu2 - u1 * cu1
prinzipielle Vorgehensweisen bei der Auslegung der Profilierung
- direkte Methode
- inverse Methode
Einfachstes Vorgehen bei der Ermittlung der Profilgeometrie: Skelettlinie als Kreisbogen
- Festlegung der Sehnenlänge “s”
- Berechnung des Teilkreiswinkels R aus geforderter Umlenkung
- Skelettlinie als Teilkreis aus Umlenkung und Sehnenlänge mit Krümmungsradius R
- Überlagerung einer Dickenverteilung lokal senkrecht zur Skelettlinie (“relative Dicke” d/s: Verhältnis der max. Dicke zu s)
Statischer Druckbeiwert c_p
- Ähnlichkeitskenngröße: Differenz zwischen lokalem, statischen Druck und statischem Druck in der Anströmung, bezogen auf dynamischen Anteil in der Anströmung
- max. c_p=1 -> Geschwindigkeit = 0, Staupunkt / -linie
- c_p > 0 : Druckanstieg gegenüber dem statischen Druck der Anströmung, z.B. entlang der Druckseite des Profils und am Austritt eines Verdichtergitters
- c_p < 0 : Druckabfall gegenüber dem statischen Druck der Anströmung, z.B. entlang der Saugseite des Profils und am Austritt eines Turbinengitters
=> c_p(x) = (p(x) - p_1) / (p_t1 - p_1)
Prinzipielle Darstellung der Machzahlverteilung auf der Oberfläche eines Verdichterprofils
- Verteilung der Machzahl entlang der Profiloberfläche als Vorgabe bzw. als Ergebnis einer Nachrechnung einer vorgegebenen Geometrie
- Im Staupunkt gilt Ma=0, p=p_t
- Maximale Machzahl auf Saugseite = Saugspitze
- Druckseite oft sehr gleichmäßig mit Ziel der Laminarhaltung der Strömung = geringe Verluste
Druckverteilung auf Stator und Rotor einer modernen Turbinenstufe (Thulin, E³ Engine)
Gradienten verantwortlich für Zustand der Grenzschicht laminar – turbulent:
- Kleine Gradienten im vorderen Bereich der Druckseite: Laminarhaltung
- ‚Aufspannen‘ einer möglichst großen Fläche zwischen Druck- und Saugseite durch Positionierung großer Gradienten vorne bzw. hinten auf dem Profil
- Kritisch hinsichtlich Strömungsstabilität / Ablösungsgefahr: immer Bereiche mit ansteigenden Drücken / positiven Druckgradienten
Berechnete und gemessene Machzahlverteilung auf schlanken Turbinenprofilen
- Gleichmäßigere Machzahlverteilung auf Saug- und Druckseite als bei völligen Profilen
- Größere Machzahl direkt von der Vorderkante an (aber: Abhängigkeit von Punkt der stärksten Wölbung!)
- Keine starke Beschleunigung zum hinteren Teil des Strömungskanals - Geringere Gefahr eines Verdichtungsstoßes
- Geringere effektive Umlenkung als völliges Profil bei gleicher Teilung (Größere Strömungsfläche = Weniger Strömungsführung)
CAA Profil
- CAA als Pendant zum CDA (‚Controlled Diffusion Airfoil‘) im Verdichterbau
- Ziel: Steigerung der Profilbelastung ohne zusätzliche Verluste bei kleinstem Profilquerschnitt, beste Lösung => T12
- Ausschließlich Einsatz rechnergestützter Verfahren zur Optimierung
- Anschließende Validierung des optimierten Profils
Zusammensetzung NACA
Basisprofil (Dickenverteilung, Vorderkantenradius) + Skelettlinie (Ansteig) = Profil
