 | Pahs A. Aerodynamische Optimierung und thermische Analyse einer Hochdruckturbine unter Verwendung einer realistischen Brennkammerabstromung: Diss. ... Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Antriebstechnik, Göttingen. - Köln: DLR, 2017. - XII, 139 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2017-23). - Res. auch engl. - Literaturverz.: S.89-95. - ISSN 1434-8454
Шифр: (Pr 1120/2017-23) 02
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Zusammenfassung ................................................. I
Abstract ....................................................... II
Abbildungsverzeichnis .......................................... VI
Tabellenverzeichnis ............................................ IX
Nomenklatur ..................................................... X
1 Einleitung ................................................. 1
1.1 Optimierung des ersten Stators einer Hochdruckturbine
unter Berücksichtigung der Brennkammerabströmung ........... 1
1.2 Ziele der Arbeit ........................................... 3
2 Stand der Forschung ........................................ 4
2.1 Grundlegende Phänomene im dreidimensionalen
Turbinenströmungsfeld ...................................... 4
2.1.1 Sekundärströmungsphänomene .......................... 4
2.1.2 Beeinflussung von Sekundärströrnung ................. 7
2.1.3 Wärmeübergangsphänomene ............................. 8
2.1.4 Stator-Rotor-Wechsel Wirkung ....................... 10
2.2 В rennkam mer-Turbinen-Interaktion ........................ 10
2.2.1 Brennkammerabströmung .............................. 11
2.2.2 Stator ............................................. 11
2.2.3 Rotor .............................................. 15
2.3 Zusammenfassende Betrachtung und Motivation ............... 16
3 Grundlagen der verwendeten numerischen Programme .......... 18
3.1 Numerische Strömungssimulation ............................ 18
3.1.1 Navier-Stokes-Gleichungen .......................... 19
3.1.2 Turbulenzmodellierung .............................. 20
3.1.3 StrömungslÖser TRACE ............................... 21
3.2 Optimierung ............................................... 21
3.2.1 Parametrisierte Schaufelgestaltung ................. 21
3.2.2 Automatisierte Optimierung ......................... 23
4 Durchführung der Untersuchungen ........................... 25
4.1 Ermittlung der Daten der Brennkammerabströmung ............ 25
4.1.1 Brennkammer ........................................ 25
4.1.2 Randbedingungen der Simulationen ................... 26
4.2 Auslegung und Vernetzung der Hochdruckturbinenstufe ....... 28
4.2.1 Vorauslegung der Hochdruckturbinenstufe ............ 29
4.2.2 Festlegung der Ausblasemengen aus Kavitäten und
Kühlluftbohrungen .................................. 29
4.2.3 Beschreibung des verwendeten Rechengitters ......... 31
4.3 Durchführung der Optimierung .............................. 32
4.3.1 Optimierungsziele .................................. 32
4.3.2 Optimierungsstrategie .............................. 32
4.4 Nachrechnungen mit TRACE .................................. 34
5 Optimierung mit eindimensionalen Randbedingungen .......... 35
5.1 1D-Randbedingungen ........................................ 35
5.1.1 Stator ............................................. 35
5.1.2 Rotor .............................................. 40
5.1.3 Integrale Werte .................................... 45
5.2 2D-Randbedingungen ........................................ 46
5.2.1 Stator ............................................. 46
5.2.2 Rotor .............................................. 50
5.2.3 Integrale Werte .................................... 53
5.3 Zusammenfassung auf umfangsgemittelte Randbedingungen
optimierte Geometrie ...................................... 53
6 Optimierung mit zweidimensionalen Randbedingungen ......... 55
6.1 В rennkam mer-Turbine clocking ............................ 55
6.2 Stator .................................................... 55
6.3 Rotor ..................................................... 58
6.4 Integrale Werte ........................................... 61
6.5 Zusammenfassung auf um fangsabhängigen Randbedingungen
optimierte Geometrie ...................................... 61
7 Optimierung mit zweidimensionalen Randbedingungen und
verschiedenen Statorgeometrien ............................ 63
7.1 Brennkammer-Turbine clocking .............................. 63
7.2 Stator .................................................... 63
7.3 Rotor ..................................................... 67
7.4 Integrale Werte ........................................... 67
7.5 Zusammenfassung Optimierung zweier verschiedener
Statoren mit zweidimensionalen Randbedingungen ............ 69
8 Instationäre Simulationen ................................. 70
8.1 Aerodynamik ............................................... 70
8.1.1 Stator ............................................. 70
8.1.2 Rotor .............................................. 72
8.1.3 Integrale Werte .................................... 75
8.1.4 Zusammenfassung Aerodynamik instationäre
Simulationen ....................................... 75
8.2 Thermodynamik ............................................. 78
8.2.1 Oberflächentemperaturen ............................ 78
8.2.2 Integrale Temperaturen ............................. 83
8.2.3 Zusammenfassung Thermodynamik instationäre
Simulationen ....................................... 84
9 Schlussfolgerungen ........................................ 85
9.1 Zusammenfassung ........................................... 85
9.2 Fazit ..................................................... 87
9.3 Ausblick .................................................. 88
Literaturverzeichnis ...................................... 89
Anhang А ....................................................... 96
А.1 Turbinenkenngrößen ........................................ 96
А.2 Dimensionsloser Wandabstand ............................... 98
A.3 Geometrien ............................................... 100
A.4 1D1S-Optimum ............................................. 102
A.5 2D1S-Optimum ............................................. 108
A.6 2D2S-Optimum ............................................. 112
A.7 Instationäre Simulationen ................................ 118
A.8 Lebenslauf ............................................... 139
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