Aerodynamische Optimierung und thermische Analyse einer Hochdruckturbine unter Verwendung einer realistischen Brennkammerabströmung: 18 Tabellen
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Köln
DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
2017
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g a realistic combustor exit flow
ties concerning gas turbines for aerospace and power generation
ideration of safety and environmental requirements Increasing
uce fuel consumption and increasing the durability to prolong
role for designing high pressure turbines,
on a high level and improvements can only be made with much
d more into focus is the interaction between gas turbine com-
tion of the combustor to the turbine is one of the most promi-
lation to the downstream high pressure turbine the combustor
t flow consists of highly swirled flow and varies significantly over
combustor and turbine the exit flow of a combustor was ex-
or consistent data is existent The combustor pitch is equivalent
data was taken as two dimensional boundary conditions with
as well as area averaged one dimensional boundary conditions
was used for three optimizations with steady state simulations,
dimensional boundary conditions, the second and third two di-
trary to the first and second optimization runs, two vanes
were modified independently in the third run but the blade was
d run Out of the optimization three configurations resulted
and analyzed with both boundary conditions using steady and
ns from one to two dimensional caused different evolvement
vanes due to circumferentially differing flow Turbine efficiency
conditions whilst mass flow changed gradually,
same secondary flow phenomena like horse shoe, passage and
cooling and on the blade pressure surface near hub was redu-
the optimization runs Quantitative differences in the flow field
d up to increased efficiency of the turbine both with one and
in order of the optimization runs The efficiency and the mass
conditions remain nearly unchanged for all three configura-
the efficiency differences collapse to smaller values compared to
figuration optimized for the two dimensional boundary condi-
for both vanes shows the highest efficiency For the unsteady
is mostly stationary except near the trailing edge The flow
y due to the interactions between vane, cavity and blade,
al load of the turbine was analyzed and compared to stea-
y showed little variation during a time period and compared
he boundary conditions alters the thermal load of the vane si-
n two adjacent vanes composing one combustor pitch To
of the blade two dimensional boundary conditions and unstea-
of the three configurations the second shows the best behavior
guration also had the best efficiency when using unsteady si-
action, optimization, high pressure turbine
II
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung I
Abstract H
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
211 Sekundärströmungsphänomene 4
212 Beeinflussung von Sekundärströmung 7
213 Wärmeübergangsphänomene 8
214 Stator-Rotor-Wechsel Wirkung 10
2 2 Brennkammer-Turbinen-Interaktion 10
221 Brennkammerabströmung H
222 Stator 11
223 Rotor 15
2 3 Zusammenfassende Betrachtung und Motivation 16
3 Grundlagen der verwendeten numerischen Programme 18
3 1 Numerische Strömungssimulation 18
311 Navier-Stokes-Gleichungen 19
312 Turbulenzmodellierung 20
313 Strömungslöser TRACE 21
3 2 Optimierung 21
321 Parametrisierte Schaufelgestaltung 21
322 Automatisierte Optimierung 23
4 Durchführung der Untersuchungen 25
4 1 Ermittlung der Daten der Brennkammerabströmung 25
411 Brennkammer 25
412 Randbedingungen der Simulationen 26
4 2 Auslegung und Vernetzung der Hochdruckturbinenstufe 28
421 Vorauslegung der Hochdruckturbinenstufe 29
422 Festlegung der Ausblasemengen aus Kavitäten und Kühlluftbohrungen 29
III
423 Beschreibung des verwendeten Rechengitters 31
4 3 Durchführung der Optimierung 32
431 Optimierungsziele 32
432 Optimierungsstrategie 32
4 4 Nachrechnungen mit TRACE 34
5 Optimierung mit eindimensionalen Randbedingungen 35
5 1 1D-Randbedingungen 35
511 Stator 35
512 Rotor 40
513 Integrale Werte 45
5 2 2D-Randbedingungen 46
521 Stator 46
522 Rotor 50
523 Integrale Werte 53
5 3 Zusammenfassung auf umfangsgemittelte Randbedingungen optimierte Geometrie 53
6 Optimierung mit zweidimensionalen Randbedingungen 55
6 1 Brennkammer-Turbine clocking 55
6 2 Stator 55
6 3 Rotor 58
6 4 Integrale Werte 61
6 5 Zusammenfassung auf umfangsabhängigen Randbedingungen optimierte Geometrie 61
7 Optimierung mit zweidimensionalen Randbedingungen und verschiedenen Sta-
torgeometrien 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 zweidimensiona-
len Randbedingungen 69
8 Instationäre Simulationen 70
8 1 Aerodynamik 70
811 Stator 70
812 Rotor 72
813 Integrale Werte 75
814 Zusammenfassung Aerodynamik instationäre Simulationen 75
8 2 Thermodynamik 78
821 Oberflächentemperaturen 78
822 Integrale Temperaturen 83
823 Zusammenfassung Thermodynamik instationäre Simulationen 84
9 Schlussfolgerungen 85
9 1 Zusammenfassung 85
9 2 Fazit 87
9 3 Ausblick 88
Literaturverzeichnis 89
^Anhang A
A l Turbinenkenngrößen
Lr- A 2 Dimensionsloser Wandabstand
A3 Geometrien
A 4 lDlS-Optimum
A 5 2DlS-Optimum
A 6 2D2S-Optimum
A 7 Instationäre Simulationen
vA8 Lebenslauf
IV
verwendeten Rechengitters 31
ierung 32
32
e 32
CE 34
onalen Randbedingungen 35
35
35
40
45
46
46
50
53
gsgemittelte Randbedingungen optimierte Geometrie 53
ionalen Randbedingungen 55
‘ g 55
55
58
61
fangsabhängigen Randbedingungen optimierte Geometrie 61
ionalen Randbedingungen und verschiedenen Sta-
63
ng 63
63
67
67
g zweier verschiedener Statoren mit zweidimensiona-
69
70
70
70
72
75
Aerodynamik instationäre Simulationen 75
78
uren 78
turen 83
Thermodynamik instationäre Simulationen 84
85
85
87
88
89
IV
g A 96
A l Turbinenkenngrößen 96
A 2 Dimensionsloser Wandabstand 98
A 3 Geometrien 100
A 4 lDlS-Optimum • ■ ■ 102
A 5 2DlS-Optimum 108
A 6 2D2S-Optimum 112
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