VL03: Arbeitsumsetzung und Belastungskriterien

Question 1

Optimierung / Maximierung der Gitterbelastung im Verdichter (Ziel, Randbedingungen, mögliche Maßnahmen)

Answer 1

Ziel: Minimierung der Stufenanzahl zur Erreichung des geforderten Druckverhältnisses

Randbedingungen:
- Stabile = ablösungsfreie Strömung
- Möglichst wenig Hardware (Gewicht & Kosten) = Schaufeln, Stufen

Mögliche Maßnahmen:
- Steigerung der Umlenkung bis zur Stabilitätsgrenze
- Steigerung der Inzidenz im Betrieb
- Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit = größeres Verzögerungspotential:
- Trans- und Überschallverdichter
- ‚Controlled Diffusion Airfoil‘ (CDA-Profile)

Question 2

Inzidenzbehaftete Anströmung eines Verdichtergitters

Answer 2

Positive Inzidenz der Anströmung i>0 (Brustinzidenz)
- ‚Belastung‘
- Gefahr der Überlastung der Profile mit Ablösung auf Saugseite

Negative Inzidenz der Anströmung i<0 (Rückeninzidenz)
- ‚Entlastung‘
- Gefahr des Sperrens bzw. der Ablösung auf Druckseite

=> Verlagerung des Staupunktes

Question 3

Änderung der Druckverteilung mit der Inzidenz für NACA65, C4 und DCA (Cumpsty)

Answer 3

• Profilfamilien unterschiedlich tolerant gegenüber Änderungen in der Anströmung
• Großer Einfluss der Vorderkantengeometrie
  (Nasenradius) auf entstehende Gradienten
• Einfach herzustellende Geometrien (z.B. DCA unten) oft sehr empfindlich gegen geänderte Strömungsbedingungen

Question 4

Bewertung der Gitterverluste: Verlustpolare bei Inzidenz mit Verlustbeiwert ω (oft auch ζ)

Answer 4

ω = (p_t1 - p_t2) / (p_t1 - p_1)

• Verlauf nicht symmetrisch, außer der profil ist symmetrisch
• Vereinfachtes Kriterium für die Festlegung der Betriebsgrenzen = 2*ω_A
• Konventionell nutzbarer Inzidenzbereich bei moderaten Machzahlen ca. 8-15 Grad

Question 5

Umlenkung Δβ und Verlustbeiwert ζ für NACA 65 (10) 06

Answer 5

• Erreichte Umlenkung:
  - Steigt mit zunehmender Inzidenz (β1 ↑) und fällt mit Rückeninzidenz
  - Erreicht irgendwann Maximum und fällt dann drastisch ab
• Verluste steigen in beide Richtungen
• Typisches Minimum für Verlustbeiwert bei ca. ω_A = 0,02
• Regel ‚Maximal doppelter Verlustbeiwert‘ (i.e. ~0,04) führt hier zu einem Gesamt-Betriebsbereich hinsichtlich Inzidenz von ca. 13°

Question 6

Betriebsbereich NACA zu CDA

Answer 6

Controlled Diffusion Airfoils erreichen deutlich größeren Betriebsbereich bei ähnlichen Verlustbeiwerten im Auslegungspunkt

Question 7

Strömung und Betriebsbereich bei unterschiedlichen Anström-Machzahlen

Answer 7

mit gesunkene Machzahl bzgl. Auslegung:
- der min. Verlustbeiwert verschiebt sich in den Rückeninzidenzbereich
- ähnlichen Betriebsbereich
- höhere Verluste am Rande des Betriebsbereich

Question 8

Wirkungsgrade NACA vs. CDA bei
steigender Anström-Machzahl

Answer 8

Beschleunigung auf der Saugseite -> kritische Machzahl erreicht -> Überschall
- für NACA: Verdichtungstoß = hohe Verluste
- für CDA: kontrollierte Verzögerung = kein senkrechter Stoß = größere Fläche der Druckverteilung/größere Kraft & keine Stoß-Grenzschicht-Interaktion -> geringere Verluste und weniger Blockage des Gitterkanals

Question 9

Einfluss der Kompressibilität auf die Ausbildung der Vorderkantenumströmung

Answer 9

• Kompressibilität führt zu deutlicher Veränderung der Stromlinien
• Durch starke Gradienten bei der Vorderkantenumströmung wird Grenzschichtausbildung stark verändert

–> Übergang von kreisförmigen auf elliptische Vorderkante mit dem Ziel der Vermeidung des Grenzschichtumschlags im vorderen Bereich der Saugseite + Verbesserung zur Vermeidung von “Spikes”

Question 10

Belastungskriterien eines Verdichtergitters

Answer 10

Wichtig: Relevante Strömungsgeschwindigkeit: Rotor = Relativ / Stator = Absolut

1. DeHaller-Zahl oder ‚Verzögerungsverhältnis‘: w2/w1 > 0,7 bzw. c3 / c2 > 0,7
   –> Verzögerung soll maximal 30% der Anströmgeschwindigkeit betragen
2. Belastungszahl (der Turbomaschinen): Δw_u / u < 0,5 bzw. Δc_u / u < 0,5
   –> Änderung der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit nicht stärker als 50% der vorliegenden Umfangsgeschwindigkeit

Question 11

Der Diffusionsfaktor nach Lieblein (1956 ff.): 1. Version

Answer 11

• Ziel: Entwicklung eines allgemeingültigen Parameters unabhängig von Profilgeometrie
• Ansatz:
  - Defintion des “Local Diffusion Factor”
  - schwierig in der Bestimmung ohne CFD, weil w_max benötigt

Question 12

Der Diffusionsfaktor nach Lieblein (1956 ff.): 2. Version

Answer 12

• Zweiter Ansatz: Beurteilung an Hand der resultierenden Grenzschichtdicke (= Strömungsstabilität)
  -> Vorteilhafte Kombination von DeHaller-Zahl und Belastungszahl + der wichtigen Gittergrößen Teilungsverhältnis (je kleiner t/s, desto besser die Strömungsführung)
  –> DF<0.5