Zur Auslegung einer thermisch homogenen Gasturbinenbrennkammer:
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| Published: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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| Series: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschrittberichte VDI / 12]
276 |
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| adam_text | Titel: Zur Auslegung einer thermisch homogenen Gasturbinenbrennkammer
Autor: Xie, Yangpei
Jahr: 1996
SCHRITT- m MW^m BERICHTE^# rnrnm Dipl.-Ing. Yangpei Xie, München Zur Auslegung einer thermisch homogenen Gasturbinenbrennkammer Reihe 12 : Verkehrstechnik/ Fahrzeugtechnik Nr. 276 VDIVERLA3
Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Symbole.....................................................................................................VIII 1 Einführung......................................................................................................................... 1 1.1 Einleitung..................................................................................................................... 1 1.2 Stand der Forschung..................................................................................................... 2 1.2.1 Methoden zur Modellbildung turbulenter reagierender Strömungen in Gasturbinenbrennkammem................................................................................. 2 1.2.2 Numerische Berechnung von Gasturbinenbrennkammem................................. 9 1.3 Aufgabenstellung und Untersuchungsobjekt...............................................................11 2 Modellierung der Strömungs- und Verbrennungsvorgänge in Gasturbinenbrennkammern............................................................................................14 2.1 Beschreibung der Strömungs-und Verbrennungsvorgänge.........................................14 2.1.1 Massen-, Impuls-und Energieerhaltungsgleichungen........................................14 2.1.2 Das Turbulenzmodell..........................................................................................15 2.1.3 Das Wärmeffeisetzungsmodell...........................................................................16 2.1.4 Randbedingungen............................................................................................... 17 2.2 Numerische Behandlung des differentiellen Erhaltungsgleichungssystems................ 19 2.2.1 Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen nach der Finite-Volumen- Methode..............................................................................................................20 2.2.2
Diskretisierungsansätze für die Konvektions-, Diffusions- und Quellterme......21 2.2.3 Versetzte Rechengitter........................................................................................24 2.2.4 Formulierung der Randbedingungen..................................................................25 2.3 Lösung des Differenzengleichungssystems.................................................................25 2.3.1 Druckkorrekturverfahren....................................................................................25 2.3.2 Lösungsalgorithmen...........................................................................................26 3 Numerische Berechnung einer Ellbogen-Brennkammer...............................................30 3.1 Definition des Rechengebietes.....................................................................................30 3.2 Netzgenerierung...........................................................................................................31 3.2.1 Rechengitter des Umkehr-Luftzuführungsrohrs.................................................32 3.2.2 Rechengitter zur Nachbildung der Brennkammer..............................................32 3.3 Numerische Berechnung des Luftzuführungsrohrs......................................................35 3.3.1 Formulierung der Randbedingungen auf der Basis experimenteller Messungen..........................................................................................................35 3.3.2 Kritische Betrachtung zur Auswahl geeigneter Unterrelaxationsfaktoren.........36 -V-
Inhaltsverzeichnis 3.3.3 Rechenergebnisse...............................................................................................37 3.4 Numerische Berechnung der Brennkammer................................................................38 3.4.1 Modifikation des Verbrennungsmodells in PHOEN1CS....................................39 3.4.2 Lösung der Energiegleichung.............................................................................41 3.4.3 Randbedingungen...............................................................................................42 3.4.4 Berechnungsergebnisse und Verifikation des Rechenmodells mit Versuchsergebnissen...........................................................................................42 4 Berechnung der Gasturbinenbrennkammer mit Einbeziehung der Strahlungsmodellierung...................................................................................................49 4.1 Strahlungsmodellierung mit der Monte-Carlo-Methode..............................................50 4.1.1 Wesen der Monte-Carlo-Methode......................................................................50 4.1.2 Erzeugung von Zufallszahlen.............................................................................51 4.1.3 Genauigkeit der Monte-Carlo-Methode..............................................................51 4.1.4 Prinzipielles zur Monte-Carlo-Simulation eines Strahlungsprozesses...............52 4.1.5 Modelle zur Simulation der Wärmestrahlung zwischen Oberflächen fester Körper.................................................................................................................53 4.1.6 Gasstrahlung.......................................................................................................56 4.2 Monte-Carlo-Modell zur Erfassung des Strahlungsprozesses in Gasturbinen-
brennkammem..............................................................................................................58 4.2.1 Festlegung der charakterischen Größen eines Photons.......................................59 4.2.2 Verfolgung der Wärmephotonen........................................................................60 4.2.3 Formulierung der zyklischen und symmetrischen Randbedingungen................61 4.2.4 Strahlungsmodelle für orthogonale und konturangepaßte Rechengitter.............62 4.3 Vergleich der Rechenergebnisse mit und ohne Berücksichtigung der Wärmestrahlung..........................................1................................................................64 5 Experimentelle Untersuchungen......................................................................................68 5.1 Wellenleistungs-Gasturbinenprüfstand mit Meßwerterfassungssystem......................69 5.2 Meßtechnik...................................................................................................................71 5.2.1 Temperaturmessung mit Thermofarben.................................... 73 5.2.2 Messung der Turbineneintrittstemperaturen mit Thermoelementen..................74 5.3 Meßergebnisse und Analyse.........................................................................................80 5.3.1 Vorversuche........................................................................................................80 5.3.2 Einfluß der Instrumentierung des Turbineneintritts mit Thermoelementen auf das Betriebsverhalten der Gasturbine...........................................................87 5.3.3 Auswirkung der Flammrohrgeometrie auf die Temperaturverteilung am Turbineneintritt.............................................................................................89 -VI-
Inhaltsverzeichnis 5.3.4 Temperaturverteilung am Turbineneintritt und Betriebsverhalten der gesamten Gasturbine mit der originalen und der verbesserten Brennkammer...................92 5.3.5 Vergleich der Temperaturverteilungen am Flammrohr....................................102 5.3.6 Meßunsicherheit...............................................................................................102 6 Zusammenfassung und Ausblick...................................................................................106 Anhang.............................................................................................................................109 Literaturverzeichnis........................................................................................................111 -VII-
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