Auswirkungen der Magerverbrennung auf die Turbinenaerodynamik

Ein vielversprechendes Verbrennungskonzept, um den zukünftig sich verschärfenden NOx-Emissionen zu begegnen, ist die mager-vorgemischte Verbrennung, welche zu einer starken Verdrallung der Luft führt. Der Einfluss der starken Verdrallung auf die Aerodynamik der ersten Turbinenstufe wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Die Untersuchungen werden an der realen Flugtriebwerksgeometrie E3E Core 3/2 durchgeführt, welche ein Technologieträger zur Magerverbrennung der Firma Rolls-Royce Deutschland (RRD) ist. Die Analysen erfolgen mit Hilfe von instationären, numerischen Simulationen. Verwendet wird dabei das Programm Hydra von RRD. Das numerische Modell umfasst die erste Turbinenstufe. Der Einfluss des Brennkammerdralls wird über die numerische Eintrittsrandbedingung erfasst. Der Einfluss der inhomogenen Eintrittsrandbedingung wird quantitativ, in punkto Wirkungsgrad, thermischer Belastung und Schaufelauftriebsbeiwert analysiert. Die qualitativen Untersuchungen umfassen die Sekundärströmungssysteme, die instationären Effekte und die Kopplung des thermischen mit dem aerodynamischen Anteil der inhomogenen Eintrittsrandbedingung. Zu den untersuchten Parametern gehören die Sperrluft und der Brennkammerdrall, wobei für den Drall zusätzlich die Drallrichtung und die Ausrichtung in Umfangsrichtung variiert werden. Um zu prüfen, ob bei Prüfstandsbedingungen vergleichbare Ergebnisse zu beobachten sind, wird die verdrallte Eintrittsrandbedingung auf Prüfstandsbedingungen runterskaliert, um Sie auch auf die institutseigene 1,5-stufige Versuchsturbine anzuwenden. Die Ergebnisse des Stufenwirkungsgrades zeigen erhebliche Einbußen: Während die Berücksichtigung der nabenseitigen Sperrluft vor der Rotorreihe zu einem Wirkungsgradabfall in Höhe von 0,43% führt, erzeugt die verdrallte Zuströmung einen weiteren Wirkungsgradabfall in Höhe von 1,47%. Es kann eine Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Ausrichtung des Drallzentrums in Umfangrichtung festegestellt werden. Eine Ausrichtung des Drallzentrums auf die Statorvorderkante führt zu einem frühen Zerfall der großen Drallstruktur, welche sich bei der Ausrichtung auf die Passagenmitte bis zur Rotorreihe hält und eine Wirkungsgradabsenkung von zusätzlich 0,4% bis 0,9% hervorruft. Dieses Optimierungspotential eröffnet sich nur dann, wenn das Verhältnis von Drallerzeugern zu Statoren günstig ist, z.B. wie 1:2. Nur dann trifft jedes Drallzentrum über den Umfang betrachtet stets auf die gleiche Stator-relative Position. Die Berücksichtigung der inhomogenen Totaltemperaturverteilung am Eintritt führt zu einer ungleichförmigen Verteilung der Wandtemperatur für die erste Statorreihe mit bis zu 400K Temperaturunterschieden. Zudem muss bei der Auslegung des Kühlkonzeptes des Rotors die Umverteilung der Heißgassträhnen aufgrund der Statorumströmung berücksichtigt werden. Im Rahmen der Arbeit wird eine neue Auswertemethode angewendet, um Ergebnisse auf Ihre Sekundärströmungssysteme zu untersuchen. Dabei ist stets die Übertragbarkeit der Ergebnisse zwischen Prüfstands- und realer Triebwerksgeometrie gegeben. Bei Hinzunahme der verdrallten Eintrittsbedingung bilden sich die Hufeisenwirbel nicht mehr aus, womit auch der Entstehungsmechanismus des Passagenwirbels wegfällt. Dies stellt die Auslegungsmethode der konturierten Endwände in Frage, wenn diese die verdrallte Zuströmung nicht berücksichtigen. Verglichen zu den Erkenntnissen der Literaturrecherche zum Thema der Brennkammer-Turbine Interaktion können durch Erhöhung des Detaillierungsgrades der numerischen Modellierung zusätzliche Erkenntnisse gewonnen werden. Bisherige Forschungsarbeiten beschränken sich meist auf die inhomogene Temperaturverteilung am Eintritt. Diese Arbeit zeigt, dass die stark verdrallte Zuströmung der Turbine bei der Auslegung berücksichtigt werden muss. Neu ist zudem die Betrachtung des Rotors und der Sperrluft-Hauptstrom Interaktion im Zusammenhang mit der inhomogenen Brennkammeraustrittsbedingung