Aktualisiert: 2023-07-02
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Thermomechanische Betrachtung der Dampfturbinenvorwärmung
Schlüsselwort: Turbomaschinen
Thermomechanische Betrachtung der Dampfturbinenvorwärmung
Thermomechanische Betrachtung der Dampfturbinenvorwärmung
Untersuchung thermoakustischer Instabilitäten von Sprayflammen
Gasturbinen und Flugtriebwerke müssen immer schärfere Emissionsgrenzwerte einhalten. Um dies zu erreichen, müssen unter anderem die Brennverfahren stetig verbessert werden. Das Lean-Direct-Injection-Konzept ist eines der aussichtsreichsten Brennverfahren, um Stickoxidemissionen zu minimieren. Im Gegenzug neigen derartige Brennkammern zu thermoakustischen Flammenschwingungen. In dieser Arbeit werden die Flammenschwingungen einer Lean-Direct-Injection-Brennkammer mit einer Sprayflamme untersucht. Es wird ein direkter Vergleich der beobachteten Flammenschwingung zwischen der Sprayflamme und diversen Gasflammen gezogen. Dies lässt eine unmittelbare Bewertung einzelner Teilmechanismen, wie der Mischung, der chemischen Eigenschaften des Brennstoffs, der Spraybildung, usw. zu. Um die Spraybildung unter oszillierenden Bedingungen besser zu verstehen, werden zudem detaillierte Untersuchungen an einem separaten Zerstäubungsprüfstand am gleichen Airblast-Zerstäuber durchgeführt. Diese Untersuchungen geben Aufschluss über das Antwortverhalten des Primärzerfalls sowie der Tropfenausbreitung innerhalb der Luftströmung.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Das Verhalten von mono- und bifluiden Tropfen unter aerodynamischer Last
In den letzten Jahrzehnten wurde ein starker Anstieg des Energiebedarfs in allen
Bereichen der globalen Wirtschaft und der Gesellschaft verzeichnet. Dieser Trend wird auch zukünftig anhalten. Um die Folgen der daraus resultierenden Klimaerwärmung auf den Planeten einzudämmen müssen hocheffiziente Prozesse zur drastischen Senkung der Schadstoffemissionen und zur Verringerung des Verbrauchs von
Primärenergieträgern entwickelt werden. Zur Optimierung von Energieumwandlungsprozessen kommen sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz. Vertrauenswürdige und validierte numerische Verfahren ermöglichen detaillierte Vorhersagen der vorherrschenden Phänomene in relativ kurzer Zeit bei klar definierten Randbedingungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es werden detaillierte numerische Vorhersagen des Verhaltens von mono- und bifluiden Einzeltropfen unter geringer stoßartiger aerodynamischer Last mit Hilfe der Lagrangeschen Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) untersucht. Im Focus stehen die Deformation, die Schwingung und die Trajektorie der Tropfen. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass die eingesetzte SPH-Methode die komplexen mehrphasigen Vorgänge bei erzwungenen Formschwingungen in hoher Genauigkeit wiedergibt. Zudem wird die Methode durch ein allgemeines Dreiphaseninteraktionsmodell erweitert und als Werkzeug zur Plausibilisierung, Kalibrierung und Neuentwicklung von vereinfachten Modellen und Methoden verwendet.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Experimental Investigation of the Characteristics of Aerostatic Thrust Bearings and their Response to Bearing Face Imperfections
Die vorliegende Dissertationsschrift ist das Resultat der Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Turbomaschinen und Flugantriebe an der Technischen Universität München. Die Arbeit befasst sich mit den aerostatischen Eigenschaften einer adaptiven Gleitringdichtung für den Einsatz in Gasturbinen. Ein Hauptaugenmerk liegt auf dem in der Dichtung integrierten aerostatischen Luftlager, welches im Rahmen einer experimentellen Studie untersucht wird. Im Fokus stehen der Luftverbrauch, sowie die Druckverteilung und Steifigkeit des im Luftlager aufgebauten Luftfilms. Alle drei Eigenschaften werden stets unter variierenden, repräsentativen Betriebsbedingungen untersucht und bewertet. In einem zweiten Teil der Arbeit wird zudem der Einfluss potenzieller Fertigungsfehler definiert und hinsichtlich der Auswirkung auf die zuvor untersuchten statischen Eigenschaften der selbstadaptierenden Gleitringrichtung untersucht. Alle Ergebnisse werden diskutiert und hinsichtlich ihrer Signifikanz bewertet.
Aktualisiert: 2021-11-29
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Bewertung von effizienzsteigernden Maßnahmen mit der verschachtelten Optimierung für automobile Brennstoffzellenantriebe
In den letzten Jahren wurden zahlreiche Maßnahmen zur Effizienzsteigerung von automobilen Brennstoffzellenfahrzeugen veröffentlicht. In dieser Arbeit werden Energieeinsparpotentiale bei gleichzeitiger Anwendung mehrerer Maßnahmen auf einen Brennstoffzellenantriebsstrang über einen Zyklus bewertet. Es werden die variable Zwischenkreisspannung, die aktive Phasenschaltung in den Gleichspannungswandler bei unterschiedlichen Hochvolttopologien und Hybridisierungsgraden mit der verschachtelten Optimierung betrachtet. Zur Berechnung der Betriebsstrategie wird das Pontryagin's Minimum Principle und die Dynamische Programmierung herangezogen. Um fluktuierende Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem zu unterbinden, wird die Dynamische Programmierung um die Berücksichtigung des Brennstoffzellensystemzustands erweitert. Die daraus resultierende Betriebsstrategie reduziert die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge des Brennstoffzellensystems für einen Hybridisierungsgrad von 0,7 und einer Hochvolttopologie mit zwei Gleichspannungswandler um 48 % während der Energieverbrauch lediglich um 1,2 % ansteigt. Dabei resultiert aus der variablen Zwischenkreisspannung das Energieeinsparpotential von 1,7 % und für die aktive Phasenschaltung in den Gleichspannungswandlern von 0,3 % über den Fahrzyklus. Anschließend wird die Auslegung der Strömungsmaschinen angepasst, um so den Brennstoffzellensystemwirkungsgrad im Teillastbereich um 1 % zu steigern. Bei maximaler Leistung des Brennstoffzellensystems kann die parasitäre Leistung der Luftversorgung durch eine Stufenaufladung nochmals um 20 % gesenkt werden. Abschließend werden anhand von Sankey-Diagrammen die Änderungen in den Energieflüssen des Brennstoffzellenantriebsstrangs dargestellt.
Aktualisiert: 2020-10-30
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Zeitbereichsimplementierung höherwertiger nichtreflektierender Randbedingungen für die Simulation instationärer Turbomaschinenströmungen
Die vorliegende Arbeit zeigt die Implementierung von asymptotisch exakten nichtreflektierenden Randbedingungen für ein 3D-RANS-Verfahren zur zeitgenauen Berechnung der Strömung in Turbomaschinen. Die Randbedingungen basieren auf einer 2D-Modalanalyse der linearisierten Euler-Gleichungen. Die exakten Randbedingungen sind nichtlokal, da ihre Formulierung raum-zeitliche Fourier-/ Laplace-Transformationen beinhalten. Zeitlokalisierte Randbedingungen beliebiger Approximationsordnung werden erhalten, indem der Faltungskern aus Bessel-Funktionen der inversen Laplace-Transformation durch Summen aus Exponentialfunktionen angenähert wird. Im Frequenzraum entspricht dies einer Approximation des exakten Randbedingungskerns durch rationale Funktionen. Die Randbedingungen werden für eine Reihe von turbomaschinenspezifischen Testfällen aus dem Anwendungsbereich der Akustik und Aeroelastik validiert. Die implementierten nichtreflektierenden Randbedingungen höherer Ordnung verhindern künstliche Reflexionen an den Ein- und Austrittsrändern. Diese Randbedingungen erlauben daher die genaue Vorhersage instationärer Druckfluktuationen in der Turbomaschinenströmung als Grundlage für aeroelastische und aeroakustische Untersuchungen.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Thermomechanische Betrachtung der Dampfturbinenvorwärmung
Thermomechanische Betrachtung der Dampfturbinenvorwärmung
Lokalisierung und Visualisierung der Rotierenden Instabilität in einem stehenden Verdichterringgitter
Turbomaschinen kommen in zahlreichen Anwendungen wie in der Energieerzeugung, in Flugzeugantrieben oder industriellen Produktionsanlagen zum Einsatz und sind in der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Um sie energieeffizienter zu gestalten, kann entweder das Druckverhältnis erhöht oder der Arbeitsbereich erweitert werden. Dies führt die Maschinen jedoch an ihre Stabilitätsgrenze bei der Strömungseffekte auftreten können, die vom Einbruch der Leistung bis hin zum Versagen der Maschine führen können.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zu einem dieser Strömungseffekte, der "Rotierenden Instabilität" (RI). Im ersten Teil der Arbeit wird auf die grundlegenden Begrifflichkeiten und das Strömungsverhalten in einem Verdichter eingegangen. Im weiteren Verlauf werden das zu untersuchende stehende Verdichtergitter und die konstruktiven Maßnahmen zur Realisierung von optischen Messverfahren beschrieben.
Nach dieser Einführung wird auf die Ergebnisse der High-Speed Particle Image Velocimetry Messungen eingegangen. Die zeitlich gemittelten Strömungsfelder dienen am Anfang zur Beschreibung der Randbedingungen. Weiterhin wird auf die Entwicklung der gemittelten Strömungsprofile über der Lauflänge eingegangen. Die anschließenden Analysen der instationären Strömungsfelder weisen die charakteristischen Eigenschaften der RI, die bisher hauptsächlich nur mit wandbündigen Drucksensoren und Mikrofonen nachgewiesen wurden, in der Strömung bzw. den Strömungsfeldern nach. Anhand der weiterführenden Auswertung werden die markanten Frequenzen aus der Kammstruktur der RI zur Visualisierung verwendet und über die gemessenen Ebenen aufgetragen. Damit lässt sich das Gebiet der RI im Verdichtergitter eindeutig lokalisieren, begrenzen und über die Intensität auf den Entstehungsort schließen. Damit liefert diese Arbeit einen Baustein für die im Verbundprojekt entstandene neue Hypothese zum Entstehungsmechanismus der RI.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Spalte in Fluggasturbinen Ursachen, Folgen und Optimierungsstrategien am Beispiel des Turboverdichters
Das Buch thematisiert die Bedeutung der Spalthaltung zwischen rotierenden und feststehenden Triebwerksbauteilen am Beispiel des Verdichters. Es
wird gezeigt, dass es sich aufgrund der Vielzahl an beteiligten Einflussfaktoren um ein interdisziplinäres Problem handelt, welches in der Praxis sehr vielschichtig und komplex ist und dessen Lösung nicht in einer einfachen Optimierung innerhalb eines Fachgebietes zu suchen ist. Für zukünftige Verbesserungen ist daher eine fachübergreifende
Betrachtung notwendig, welche neben der aero- und thermodynamischen Optimierung vor allem konstruktive, fertigungstechnische sowie betriebsbedingte Aspekte mitberücksichtigen muss.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Zum aerodynamischen und aeroelastischen Verhalten des Axialverdichters an der Stallgrenze
Der Verdichter spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Flugtriebwerke. Aufgrund hoher aerodynamischer Belastung, starken Sekundärströmungen und hoher Schwingungsanfälligkeit steigt die Schwierigkeit Verdichter zu entwickeln, welche eine hohe aerodynamische Stabilität und niedrige Schaufelschwingungen aufweisen. Insbesondere für den Bereich nahe der Stallgrenze sind die wesentlichen aerodynamischen und aeroelastischen Effekte nicht ausreichend verstanden und Gegenstand aktueller Forschung.
Aus diesem Grund wird das aerodynamische und aeroelastische Verhalten eines triebwerksnahen Transonikverdichters in der vorliegenden Arbeit numerisch untersucht. Die Simulationen ermöglichen eine detaillierte Strömungsanalyse bei Stalleintritt und beim Auftreten von asynchronen Schaufelschwingungen (NSV) an Betriebspunkten nahe der Stallgrenze.
Beim Stalleintritt treten an der Rotorspitze Fluktuationen der Scherschicht zwischen der eintretenden Hauptströmung und einem, von der Spaltströmung verursachten, Blockagebiet in der Passage auf. Durch die Scherschichtfluktuation bilden sich Wirbelstrukturen, sowie Hoch- und Tiefdruckgebiete, welche im Rotor-Relativsystem entgegen der Drehrichtung umlaufen. Die Scherschichtfluktuationen können ebenfalls bereits vor Stallbeginn, an aerodynamisch stabilen Betriebspunkten, auftreten. In diesem Fall ist eine Anregung von NSV im Rotor möglich. Anhand von Parametervariationen wird in dieser Arbeit gezeigt, welche Faktoren die Entstehung von Scherschichtfluktuationen im Rotor begünstigen und wie die Anregung von NSV durch die Scherschichtfluktuationen erfolgt. Diese Erkenntnisse können in der Auslegung moderner Verdichterstufen Anwendung finden.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Technische Strömungsmechanik
Das Verhalten von mono- und bifluiden Tropfen unter aerodynamischer Last
In den letzten Jahrzehnten wurde ein starker Anstieg des Energiebedarfs in allen
Bereichen der globalen Wirtschaft und der Gesellschaft verzeichnet. Dieser Trend wird auch zukünftig anhalten. Um die Folgen der daraus resultierenden Klimaerwärmung auf den Planeten einzudämmen müssen hocheffiziente Prozesse zur drastischen Senkung der Schadstoffemissionen und zur Verringerung des Verbrauchs von
Primärenergieträgern entwickelt werden. Zur Optimierung von Energieumwandlungsprozessen kommen sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz. Vertrauenswürdige und validierte numerische Verfahren ermöglichen detaillierte Vorhersagen der vorherrschenden Phänomene in relativ kurzer Zeit bei klar definierten Randbedingungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es werden detaillierte numerische Vorhersagen des Verhaltens von mono- und bifluiden Einzeltropfen unter geringer stoßartiger aerodynamischer Last mit Hilfe der Lagrangeschen Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) untersucht. Im Focus stehen die Deformation, die Schwingung und die Trajektorie der Tropfen. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass die eingesetzte SPH-Methode die komplexen mehrphasigen Vorgänge bei erzwungenen Formschwingungen in hoher Genauigkeit wiedergibt. Zudem wird die Methode durch ein allgemeines Dreiphaseninteraktionsmodell erweitert und als Werkzeug zur Plausibilisierung, Kalibrierung und Neuentwicklung von vereinfachten Modellen und Methoden verwendet.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Untersuchung thermoakustischer Instabilitäten von Sprayflammen
Gasturbinen und Flugtriebwerke müssen immer schärfere Emissionsgrenzwerte einhalten. Um dies zu erreichen, müssen unter anderem die Brennverfahren stetig verbessert werden. Das Lean-Direct-Injection-Konzept ist eines der aussichtsreichsten Brennverfahren, um Stickoxidemissionen zu minimieren. Im Gegenzug neigen derartige Brennkammern zu thermoakustischen Flammenschwingungen. In dieser Arbeit werden die Flammenschwingungen einer Lean-Direct-Injection-Brennkammer mit einer Sprayflamme untersucht. Es wird ein direkter Vergleich der beobachteten Flammenschwingung zwischen der Sprayflamme und diversen Gasflammen gezogen. Dies lässt eine unmittelbare Bewertung einzelner Teilmechanismen, wie der Mischung, der chemischen Eigenschaften des Brennstoffs, der Spraybildung, usw. zu. Um die Spraybildung unter oszillierenden Bedingungen besser zu verstehen, werden zudem detaillierte Untersuchungen an einem separaten Zerstäubungsprüfstand am gleichen Airblast-Zerstäuber durchgeführt. Diese Untersuchungen geben Aufschluss über das Antwortverhalten des Primärzerfalls sowie der Tropfenausbreitung innerhalb der Luftströmung.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Effiziente Berechnung von Gleitlagern und Dichtspalten in Turbomaschinen
Werden die Auswirkungen von Gleitlagern und Dichtspalten im Rahmen der Auslegung von Turbomaschinen nicht beherrscht, so können nicht erreichte Wirkungsgradanforderungen, unzulässige Vibrationen oder gar Ausfallzeiten und Schadensfälle die Folge sein. Zur Ermittlung relevanter Spaltkenngrößen stehen heute unterschiedliche Berechnungsmethoden zur Verfügung. Die Einschätzung, welche der Methoden in einem konkreten Anwendungsfall geeignet ist, bleibt dabei der Erfahrung des Anwenders überlassen. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist daher die Erarbeitung eines effizienten und gleichzeitig möglichst allgemein anwendbaren Berechnungswerkzeuges für Spaltströmungen sowie dessen Validierung für die typischen Einsatzbedingungen in modernen Turbomaschinen.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Zum aerodynamischen Verhalten des Transsonikverdichters bei gestörter Zuströmung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Interaktion einer Zuströmstörung mit einer Verdichterstufe untersucht. Mit Hilfe von Störkörpern wurden Ablösungen stromauf des Verdichters erzeugt. Durch die systematische Variation der Größe der generischen Störkörper können die Erkenntnisse allgemein auf die Interaktion eines transsonischen Verdichterrotors mit einer intensiven, lokal begrenzten Druckstörung der Zuströmung übertragen werden. Durchgeführt wurden die Versuche am transsonischen Verdichterprüfstand des Fachgebiets Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe der Technischen Universität Darmstadt. Die am Gehäuse erzeugte Ablösung beeinflusst die Blattspitzenströmung des Rotors. Im stationären Betrieb, bei ausreichender Höhe des Störkörpers, löst lokal begrenzt die Strömung im Rotor ab, während der gesamte Verdichter weiter stabil arbeitet. Dies wird durch ein Maximum der aerodynamischen Belastung des Rotors beim Austritt aus der Störung verursacht. Mit Hilfe eines auf den Messdaten basierenden Strömungsmodells kann das komplexe Strömungsfeld beschrieben werden. Die Untersuchung transienter Laständerungen, bei denen der Gegendruck bis zum Überschreiten der Stabilitätsgrenze kontinuierlich gesteigert wird, zeigt die Auswirkungen auf das Stabilitätsverhalten. Ein speziell entwickelter Algorithmus wird genutzt, um die Vielzahl an Datensätzen automatisiert zu untersuchen. Dabei identifiziert der Algorithmus Störungen des Druckfelds und ermöglicht stabilitätsrelevante Phänomene über den Umfang zu verfolgen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Technische Strömungsmechanik
Ein Beitrag zur Formoptimierung von Labyrinthdichtungen
Eine Möglichkeit zu schaffen, um Labyrinthdichtungen für den gesamten Lebenszyklus optimal auszulegen, und somit die bestehende Lücke im Entwicklungsprozess für Turbomaschinen zu schließen, war das Hauptziel dieser Arbeit. Für diesen Zweck wurde ein in großen Teilen automatisiertes rechnergestütztes Formoptimierungswerkzeug entwickelt. Mit einer Kombination aus datenbasierten Modellen mit numerischer Strömungssimulation konnte ein sehr guter Kompromiss aus effizienter Vorhersage und der Eignung für neuartige Geometrien bei sehr hoher Vorhersagegenauigkeit gefunden werden.
Verschiedene mono- und multikriterielle Optimierungsalgorithmen wurden untersucht. Gradientenbasierte Algorithmen wurden bewusst ausgeschlossen, um eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich der a priori unbekannten Zielfunktionen sicherzustellen. Es konnte erfolgreich demonstriert werden, dass die gewählten Verfahren den Entwicklungsprozess von Labyrinthdichtungen für Turbomaschinen entscheidend unterstützen können.
Aktualisiert: 2022-12-21
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