Numerische Untersuchung des instationären Betriebsverhaltens von Abgasturbinen unter pulsierender Beaufschlagung
Valerius Boxberger
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Abbildung von pulsierend beaufschlagten Abgasturbinen in der Motorprozesssimulation. Dazu erfolgt zunächst eine stationäre Vermessung des Turboladers am Heißgasprüfstand und am Motorprüfstand. Messdaten, die im Experiment erhoben werden, bilden thermodynamische Effekte und Reibeinflüsse nur ungenügend ab, was die Bewertung des aerodynamischen Verhaltens der Turbine einschränkt. Zudem ist die schnelle Messung des Massenstroms und der Temperatur in der erforderlichen Auflösung technisch nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit werden Prüfstandsdaten zur Validierung eines numerischen Modells und zur Bereitstellung von Randbedingungen verwendet. Das Turbinenverhalten wird mit Hilfe einer 3D-CFD-Simulation untersucht. Im ersten Schritt erfolgt die Variation der instationären Randbedingungen des
Turbinenmodells. Simuliert werden unterschiedliche Pulsamplituden, mittlere Expansionsverhältnisse und Pulsfrequenzen. Zusätzlich werden zwei weitere Turbinen mit einer unterschiedlichen Baugröße simuliert, um den geometrischen Einfluss zu untersuchen. Es wird eine vollständige Bewertung des aerodynamischen Betriebsverhaltens der Abgasturbinen durchgeführt. Aus der Arbeit geht hervor, dass die Pulsamplitude und das mittlere Expansionsverhältnis die Haupteinflussfaktoren auf das Betriebsverhalten sind. Der pulsierende Einfluss auf den Zyklusmittelwert des Massenstroms ist vernachlässigbar. Es wird nachgewiesen, dass der isentrope Wirkungsgrad ab einer bestimmten Amplitudenhöhe instationäres Verhalten zeigt. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Methode zur Berücksichtigung der instationären Einflüsse auf den isentropen Turbinenwirkungsgrad vorgestellt. Durch die Korrektur kann der Fehler bei der Berechnung des isentropen Turbinenwirkungsgrads im Vergleich zur herkömmlichen Methode halbiert werden.
