VL11/12: Verluste Flashcards
Reibungsverluste bei laminarer und turbulenter Strömung
- Grenzschichtsdicke = 99% der Hauptgeschwindigkeit
- abhängig von der Viskosität des Fluids, über die Wandschubspannung (größer bei turbulenten Strömungen)
- Ablösung am Austritt des Profils -> Nachlaufdelle
- Ablösung im Mitte des Profils (laminare Ablöseblase), nach dem Umschlag
Umschlagpunkt von laminarer zu turbulenter Strömung
- Ziel: Möglichst lange Erhaltung einer laminaren Grenzschicht ohne Ablösung
- Umschlag: möglich beim Übergang von beschleunigter auf verzögerte Strömung
- Beispiel: ‚Aft-loaded‘-Turbinenprofil mit Saugspitze / Punkt maximaler Geschwindigkeit weit hinten
–> Veränderung der Profilgeometrie erforderlich
Definition des Verlustbeiwertes (ω oder ξ)
ω=ξ= Totaldruckverlust/dynamischer Druck am Eintritt = p_t1-p_t2 / p_t1-p_1 > 0
Einfluss von Fehlanströmung und Nasenradius
- bei kleinen Machzahl -> großer Nasenradius, da größeren Inzidenzbereich vetragbar aber Gefahr vom Kopfstoß bei großen Anström-Machzahlen
- Brustinzidenz (i>0) -> hohe Belastung mit starker Umlenkung aber Gefahr der Strömungsablösung
- Rückeninzidenz (i<0) -> niedriege Belastung, Gefahr des Sperrens weil zu große Anströmgeschwindigkeit in das Gitter
Verlustpolare bei Inzidenz
- nicht symmetrischer Verlauf
- ω_A(~2%) bei der Auslegung
- toleriert wird 2*ω_A -> ergibt den Betriebsbereich (heutzutage 8-15° Inzidenz möglich)
-> hängt stark von der Profilnase ab
Nachlaufdelle
- Gebiet in der Abströmung mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit als in der Hauptströmung
–> Totaldruckverlust, Verblockung und Minderumlenkung - diese Fehlanströmung überträgt sich auf das nächste Gitter –> nachteilige Beeinflussung der Aerodynamik (oszillierende c_p-Verteilung) –> Schwingungsanregung nachfolgender Gitter –> Lärm durch Rotor-Stator-Interaktion
=> Um Minderumlenkung zu minimieren sollten die Gitter so eng wie möglich sein, für die Akustik sollten die so entfernt wie möglich, um Zeit der Delle zu lassen, sich auszugleichen
Einfluss der Nachlaufdelle auf Wärmeübergang
- Zerschneidung der DEllen durch die nachfolgenden Gitter –> ungleichförmige Temperaturverteilung im Kanal/starke Schwankungen am lokalen Punkten auf den Profilen –> Berücksichtigung bei der Auslegung des Kühlsystems
Spaltströmungsverluste
- im Axialschnitt: von der Druckseite zu Saugseite
- im Meridionalschnitt, beim Verdichter: gegen die Strömungsrichtung, weil vom hohen zum niedrigeren Druck (über den Rotorschaufeln, untern den Leitschaufeln, durch die Füße der Schauffeln)
- im Meridionalschnitt, bei Reaktionsturbine: in die Richtung der Strömung
–> Effekt auf Primärströmung abhängig vom relativen Spalt(=Spalt/Schaufelhöhe in %), der absoluten Massenstrom entgegen abhängig vom absoluten Spalt
Auswirkungen der Spaltströmung und Minimierungsmaßnahmen
- Wirkungsgrad kleiner
- bei Verdichtern: Reduzierung des Pumpgrenzenabstandes
Minimierung:
- Leitrad als Sätze aus mehreren Schaufeln
- aktive oder passive Spaltkontrolle
- Deckband auf den Schaufeln: bei den Turbinen ja, weil hohe Arbeitsumsetzung pro Stufe und treibendes Druckgefälle für Spaltströmung deutlich höher // bei Verdichter nicht: kleine Arbeitsumsetzung (wegen Pumpengefahr wenn zu schnell dreht)
Einfluss des Rotorspalts auf die Verdichterstabilität
- Verringerung der Strömungsstabilität -> Absenkung der pumpgrenze
- Verringerung der möglichen Arbeitsumsetzung -> also höhere Drehzahl erforderlich
=> es muss sich also schneller drehen, aber nicht zu schnell, um nicht über die abgesenkte Pumpengrenze zu kommen –> Sicherheitsbereich verringert
=> nach Rossman: 1%(2%) Spalt zu Schaufelhöhe -> 10%(20%) Verringerung des Pumpgrenzabstands
Verluste verschiedener Dichtungskonfigurationen fpr den Statorspalt bei großen Spalten
- ohne Dichtung: lin. Senkung des Wirkungsgrades mit größerem Spalt
- mit Dichtung: nichlinearer Verlauf -> schlechterer Wirkungsgrad bei kleinen Spalten -> Nutzung bei grißem erforderlichem Betriebsbereich bei gleichzeitiger Senkung von Schwingungen
Verluste im Radialverdichter mit Deckscheibe
Leckage Strömungen zw. Scheibe und Gehäuse und hinter des Rades wo ein kleinen Massenstrom gegen Erhitzung erforderlich ist
-> Schaufel nicht zu dick noch zu dünn
-> bei Radialverdichter ohne Deckscheibe -> Wirkungsgradverlust linear steigend mit steigender Schaufelhöhe
Enstehung des reibungsbedingten Kanalwirbels
- im Mittelschnitt des Kanals, kommt eine Partikel auf die Stromlinie in Kanalmitte mit der Hauptströmunggescwhindigkeit in das Gitter rein. Durch die Umlenkung erfährt die Partikel eine Fliehkraft zur Druckseite, die im Gleichgewicht mit dem Druckgradient steht, der eine Kraft von der Druck- zur Saugseite ausübt –> die Partikel folgt die Stromlinie in Kanalmitte weiter
- in wandnahen Bereichen trägt die Grenzschicht durch Reibung die Anströmgeschwindigkeit zu reduzieren bei. Dadurch wird die Fliehkraft schwächer, da wo der Druckgradient konstant bleibt –> die Partikel velässt ihr Bahn und wird zur Saugseite verdrängt
–> gesamter Kanalwirbel ergibt sich aus zwei Wirbeln (Reibungen am Gehäuse und an der Nabe), die nicht unbedingt gleich stark sind. der physikalischer Auslöser ist der Gleichgewicht zwischen Δp (DS->SS) und Fliehkraft, der an Wänden nicht mehr gegeben ist
Hufeisenwirbel
- Wenn die Strömung gegen die Staulinie des Profils aufprallt, wandelt sich der stat. Druck in kin. Energie -> treibende Druckdifferenz von Kanalmitte zu Seitenwänden
- im Bereich der Grenzschichten wickelt sich die Strömung und der enstandene Wirbel spaltet sich zwischen beide Seiten des Profils -> erhöhter Wärmeübergang
- der Wirbel auf die Druckseite wird sich mit dem Kanalwirbel kumulieren und gegen die gegenseitige Saugseite transportiert
- während der Wirbel auf der Saugseite (der schwache Ast) den Profil folgen wird, gezwungen durch den Kanalwirbel
Stoßverluste
- wegenverdichtungstöße (wenn die Schalllinie im Kanal sich nicht mehr ausbreiten kann, wird sie stoßartig auf die Saugseite zurückgestoßt)
-> Totaldruckverlust, veranschaulicht auf dem c_p-s-Diagramm, Fläche wird kleiner
-> Gegenmaßnahme: CDA-Profil: verschiebt nach hinten der Anfang des Überschall-Bereichs
