Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem vorderen Hauptbereich eines Triebwerks, mit dem bzw. den Verdichter(n). Der Fan gehört mit zu diesem Bereich. Aufbauend auf den Thermischen Turbomaschinen des Kap. 8 wird hier anhand von Zahlenwertbeispielen gezeigt, wie im Rahmen einer Vorauslegung ein vergleichsweise einfacher Mehrwellenverdichter berechnet und eine zugehörige räumliche Schaufelgestaltung vorgenommen werden kann. Spezielle grundlegende Gesichtspunkte bezüglich der Profil- und Schaufelgestaltung im vorderen, mittleren und hinteren Verdichterbereich werden diskutiert, ebenso wie die Wahl der Materialien. Die Beschreibung der geeigneten Profilwahl wird durch numerische, viskose Verdichtergitterberechnungen zusätzlich veranschaulichend unterstützt. Die Leistungsmöglichkeiten von Verdichtern werden durch ihr so genanntes Kennfeld beschrieben und begrenzt. In diesem Zusammenhang werden das Entstehen und der Aufbau eines Kennfeldes erklärt, das in Teilen, bei den so genannten reduzierten Kennfeldgrößen (reduzierter Massenstrom und reduzierte Drehzahl), auf der Machschen Ähnlichkeit basiert. Darüber hinaus wird über instabile Verdichterzustände und sich daraus ergebende stabilisierende Maßnahmen zu reden sein. Damit lässt sich schließlich erklären, was Rotierende Ablösung, Stufenabreißen und Verdichterpumpen bedeutet, warum man in manchen Drehzahlbereichen seitlich Druckluft abblasen muss und wann und weshalb verstellbare Leitschaufeln unentbehrlich sind. Zum Abschluss des Kapitels wird kurz angerissen, welchen Entwicklungsweg schließlich moderne numerische Verdichterauslegungsverfahren und zugehörige Optimierungsmethoden für zukünftige Verdichterweiterentwicklungen bereiten können.
This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.
Access this chapter
Tax calculation will be finalised at checkout
Purchases are for personal use only
Notes
- 1.
Die natürliche Strömungsrichtung ist geprägt von einer Fluidbewegung aus Gebieten höheren Druckes in Gebiete niedrigeren Druckes hinein.
- 2.
Eigendämpfung ist abhängig von der konstruktiven Gestaltung und dem verwendeten Material. Je größer die Eigendämpfung ist, umso stärker wird die Amplitude der entsprechenden Eigenschwingungen reduziert und damit auch deren Spannungsschwingbreite, die ein Faktor für das Risswachstum ist, was schließlich zu einer erhöhten Lebensdauer der Gesamtkonstruktion beiträgt.
- 3.
Aus dem Englischen Incidence: Einfallswinkel, Anstellwinkel.
- 4.
Aus dem Lateinischen Deviare: abweichen, vom rechten Weg abweichen.
- 5.
Real ausgeführte Verdichter haben für jede ihrer Stufen ein ganz eigenes Druckverhältnis τ V, j und auch einen eigenen Wirkungsgrad η Vs, j . Erste Stufen haben im Vergleich zum mittleren Stufendruckverhältnis, \({{\bar{\pi }}_{V,j}}=\pi _{V}^{1/N}\), oft kleinere Druckverhältnisse und die letzten Stufen oft höhere Druckverhältnisse, wenn hierbei τ V das Gesamtverdichterdruckverhältnis und N die Anzahl der Verdichterstufen ist. Näheres dazu beschreiben die textlichen Ausführungen in Kap. 10.3.4.
- 6.
Das Schaufelhöhenverhältnis b r /s ist die radiale Schaufelerstreckung (Schaufelhöhe) dividiert durch die Schaufelsehnenlänge. Moderne Verdichter haben kleine b r /s-Verhältnisse, d. h., ihre Sehnenlänge s ist im Vergleich zur Schaufelhöhe b r groß. Im Englischen werden diese Schaufeln als so genannte Wide-Chord-Blades bezeichnet.
- 7.
Die Abb. 10.9 zeigt z. B., dass die Blattspitzen des ersten Turbinenlaufrades auf einem größeren Radius umlaufen als die des ersten Verdichterlaufrades. Da das Luftvolumen nach der Brennkammer durch die Wärmezufuhr zugenommen hat, muss diesem Umstand dadurch Rechnung getragen werden, dass der mittlere Turbinenradius und damit die durchströmte Ringraumfläche in der Turbine größer wird. Die Abb. 2.15 bis 2.20 zeigen anschaulich, wie sich bei verschiedenen Triebwerkskonstruktionen die größten Blattspitzen von Verdichter und Turbine auf jeweils einer Welle (N1 oder N2) geometrisch zueinander verhalten. Das Maximum der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit wird an der Stelle des größten Rotor-Blattspitzen-Radius fixiert. Bei der N1-Welle heutiger ziviler Turbofantriebwerke (ohne Getriebe) wird dieser Ort generell durch den Fanrotoraußendurchmesser bestimmt.
- 8.
Mit so genannten Momentenwaagen (Moment Weighing Scales) werden heutzutage Schaufeln vor dem Einsetzen in eine Schaufelscheibe gewogen und mittels einer integrierten Software optimal auf dem Rotorumfang verteilen. Dabei ermitteln Momentenwaagen präzise sowohl die Massen der Schaufeln als auch deren exakte Schwerpunktslage (Moment). Diese Methode zur Unwuchtreduktion durch Verwiegen von Gewicht und Moment eignet sich sowohl für alle neu beschaufelten Rotoren als auch für Rotoren nach einer Läuferreparatur.
- 9.
Die Bezeichnung transsonisch wird in der Aerodynamik im Allgemeinen für Strömungen benutzt, bei denen – in Strömungsrichtung gesehen – sub- und supersonische Strömungsbereiche existieren. Bei den Turbomaschinen hat es sich aber eingebürgert, unter einem transsonischen Verdichter einen solchen zu verstehen, dessen Zuströmung in Radialrichtung zwischen sub- und supersonisch variiert.
- 10.
Bentonit (nach der Benton-Formation, Fort Benton, Montana, USA) ist eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien, das zu 60 … 80 % – als wichtigsten Bestandteil –Montmorillonit (Schichtsilikat) enthält, was ursächlich dafür ist, in hohem Maße Wasser aufzunehmen und als Folge davon aufzuquellen. Weitere Begleitmineralien sind Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit und Calcit. Bentonit entsteht durch Verwitterung von Vulkanasche.
- 11.
CBN (kubisch kristallines Bornitrid) wurde 1969 von der Firma General Electric unter dem eingetragenen Warenzeichen „BORAZON“ auf dem Markt gebracht. Dieses, als zweithärtestes Material der Welt geltende Produkt, wurde 1957 von Robert Henry Wentorf, Jr. für und bei General Electric entwickelt. Seinerzeit überstieg der Preis von CBN den Goldpreis.
- 12.
Alle hier angegebenen Zahlenwerte beruhen auf Angaben der MTU Aero Engines in München.
- 13.
Drossel, Drosselklappe: Vorrichtung in Strömungskanälen (Rohrleitungen) zum Absperren, Verringern oder Hemmen von Durchflüssen (in Anlehnung an „erdrosseln“). Vom althochdeutschen Wort „Drozza“ für „Kehle“ abgeleitet, was im Englischen „Throat“ heißt und dort im technischen Bereich als Wort für einen „einengenden Querschnitt“ verwendet wird.
- 14.
Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgänge, also Vorgänge, die nicht über einen längeren Zeitraum stabil existieren.
- 15.
Machzahlen werden von der Umgebungstemperatur T 0 und Massenströme von den Umgebungsbedingungen p 0 und T 0 (Druck und Temperatur) beeinflusst.
- 16.
Bei der Flugerprobung der Flugzeuge BAC 1-11 und Hawker-Siddeley „Trident“ (beide mit T-Leitwerk und hinten am Rumpf angebrachten Triebwerken) kam es zum Triebwerkspumpen mit anschließendem Erlöschen der Triebwerke, nachdem bei großen Flugzeuganstellwinkeln die Strömungsablösungen der Tragflügel in die Triebwerke eingesaugt wurden. Die daraus resultierende Manövrierunfähigkeit – im Zusammenspiel mit weiteren unglücklichen Umständen – die das Flugzeug in eine sog. Deep Stall Situation getrieben haben, führte schließlich zu tragischen Verlusten an Mensch und Material, Pallett (1996).
- 17.
In den letzten Jahren sind im alltäglichen Triebwerksbetrieb einige Fälle bekannt geworden, in denen die Mechanik der Stellhebel für die Leitschaufelverstellung versagt hat, mit der Folge, dass die Triebwerke während des Beschleunigens unbeabsichtigt in einen instabilen Betriebsbereich gefahren wurden, mit den weiter oben ausführlich beschriebenen fatalen Folgen für das gesamte Triebwerk.
- 18.
Das Konzept der so genannten Pareto-Optimalität ist nach dem italienischen Gelehrten Vilfredo Pareto benannt, der zu Ende des 19-ten Jahrhunderts Optimierungsaufgaben mit sich widersprechenden Zielen im Bereich der Wirtschaftswissenschaften untersuchte.
- 19.
Hierbei handelt es sich um einen Standard, der den Nachrichtenaustausch bei parallelen Berechnungen auf verteilten Computersystemen beschreibt. Er legt dabei eine Sammlung von Operationen und ihre Semantik, also eine Programmierschnittstelle fest, aber kein konkretes Protokoll und keine Implementierung. Eine MPI-Applikation besteht in der Regel aus mehreren miteinander kommunizierenden Prozessen, die alle zu Beginn der Programmausführung parallel gestartet werden. Alle diese Prozesse arbeiten dann gemeinsam an einem Problem und nutzen zum Datenaustausch Nachrichten, welche explizit von einem zum anderen Prozess geschickt werden. Ein Vorteil dieses Prinzips ist es, dass der Nachrichtenaustausch auch über Rechnergrenzen hinweg funktioniert. Parallele MPI-Programme sind somit sowohl auf PC-Clustern, als auch auf extra dafür vorgesehenen, d. h. dedizierten Parallelrechnern ausführbar.
- 20.
Unter Kriging versteht man ein Verfahren, mit dem man Werte an Orten, für die eigentlich keine Werte vorliegen, durch umliegende Messwerte interpolieren oder auch annähern kann. Das Verfahren wurde von dem südafrikanischen Geostatistiker Daniel Krige 1951 entwickelt und später nach ihm benannt.
- 21.
Dies entspricht bei typischen innereuropäischen Flugmissionen von 500 nautischen Meilen oder 90 min Flugzeit und bei einer Auslastung von sechs und mehr Flügen pro Tag einer Einsatzzeit von über 4 Jahren. Darüber hinaus drängen die Zuverlässigkeitsanforderungen für moderne Ziviltriebwerke in Richtung auf durchschnittlich weniger als einer Triebwerksabschaltung im Flug (Engine In-Flight Shutdown) pro 10 Mio. Flugstunden.
Literatur
AGARD (1989) Blading design for axial turbomachines. NATO Advisory Group for Aerospace Research and Development. AGARD Lecture Series 167 (LS-167)
Bauerfeind K (1999) Steuerung und Regelung der Turboflugtriebwerke. Birkhäuser-Verlag, Basel
Becker B, Bohn D (1983) Entwicklung transsonischer Eingangsstufen für Verdichter stationärer Gasturbinen, Motortechnische Zeitschrift (MTZ). Technisch-Wissenschaftliche Zeitschrift für das Gesamtgebiet der Verbrennungskraftmaschinen, Kolbenmotoren und Gasturbinen 44:19–24
Blaha C (2000) Transsonischer Axialverdichter mit gepfeilten Profilen. Dissertation TU-Darmstadt
Cohen H, Rogers GFC, Saravanamuttoo HIH (1996) Gas turbine theory. Longman Group Ltd., Harlow
Crouse JE (1974) Computer program for definition of transonic axial-flow compressor blade rows, NASA Technical Note, NASA TN D-7345, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135, February 1974
Crouse JE, Janetzke DC, Schwirian RE (1969) A computer program for composing compressor blading from simulated circular-arc elements on conical surfaces, NASA Technical Note, NASA TN D-5437, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135
Denton JD (2002) The effect of lean and sweep in transonic fan performance: a computational study. TASK Quarterly. Sci Bull Acad Computer Centre Gdansk, Poland 6(1):7–23
Dorfner C, Nicke, E, Voß C (2007) Axis-asymmetric profiled endwall design using multiobjective optimization linked with 3D-RANS-Flow-Ssimulations. Proceedings of GT2007 ASME Turbo Expo 2007: power for land, Sea and Air, May 14–17, 2007, Montreal, Canada, Paper GT2007-27268
Fottner L (1989) Review on turbomachinery blading design problems. In Blading design for axial turbomachines. AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development) Lecture Series 167 (LS-167)
Ginder R (1991) Design and performance of advanced blading for a high-speed high-pressure compresssor, ASME Paper 91-GT-374
Grieb H (2004) Projektierung von Turboflugtriebwerken. Birkhäuser, Basel
Grieb H (2009) Verdichter für Turbo-Flugtriebwerke. Springer-Verlag, Berlin
Hagen H (1982) Fluggasturbinen und ihre Leistungen. Verlag G. Braun, Karlsruhe
Hobbs DE, Weingold HD (1984) Development of controlled diffusion airfoils for multistage compressor applications. Transactions of the ASME. J Eng Power 106:271–278
Hobson DE (1974) Shock-free transonic flow in turbomachinery cascades. Doctoral Thesis – University of Cambridge
Kablitz S (2003) Beeinflussung der Spaltströmung von Transsonischen Axialverdichtern durch Forward Sweep. Dissertation, Fachbereich Maschinenbau der TU-Darmstadt
Köller U (1999) Entwicklung einer fortschrittlichen Profilsystematik für stationäre Gasturbinenverdichter, DLR-Forschungsbericht 1999-20
Lakshminarayana B (1996) Fluid dynamics and heat transfer of turbomachinery. Wiley, New York
Pallett EHJ (1996) Aircraft instruments and integrated systems, 2 Aufl. Addison Wesley Longman Ltd., Harlow
Siller U, Voß C, Nicke E (2009) Automated multidisciplinary optimization of a transonic axial compressor, AIAA-Paper 0863
Steffens K, Schäffler A (2000) Triebwerksverdichter – Schlüsseltechnologie für den Erfolg bei Luftfahrtantrieben. MTU-Technik-Berichte im Internet
Voß C, Nicke E (2008) Automatische Optimierung von Verdichterstufen. Fachlicher Ab-schlussbericht Forschungsvorhaben (FKZ: 0327713 B), AG Turbo COOREFF-T, Verbund-projekt: CO2-Reduktion durch Effizienz, Vorhaben-Nr. 1.1.1
Voß C, Aulich M, Kaplan B, Nicke E (2006) Automated multiobjective optimisation in axial compressor blades design. Proceedings of GT2006 ASME Turbo Expo 2006: power for Land Sea and Air, 8–11 May 2006, Barcelona, Spain, Paper GT2006-90420
Walther R, Frischbier J, Selmeier R (2001) Aeromechanische Gestaltung fortschrittlicher Triebwerksverdichter. MTU-Technik-Berichte im Internet
Wilson DG, Korakianitis T (1998) The design of high-efficiency turbomachinery and gas turbines, 2 Aufl. Prentice-Hall, Inc., U.S.A.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
Copyright information
© 2015 Springer-Verlag Berlin Heidelberg
About this chapter
Cite this chapter
Bräunling, W. (2015). Verdichter. In: Flugzeugtriebwerke. VDI-Buch. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-34539-5_10
Download citation
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-34539-5_10
Published:
Publisher Name: Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg
Print ISBN: 978-3-642-34538-8
Online ISBN: 978-3-642-34539-5
eBook Packages: Computer Science and Engineering (German Language)