Verdichter für Turbo-Flugtriebwerke PDF
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Verdichter für Turbo-Flugtriebwerke Hubert Grieb Verdichter für Turbo-Flugtriebwerke 123 Dr.-Ing.HubertGrieb Nimrodstrasse44 82110Germering DiesesBuchentstandmitfreundlicherUnterstützungderMTUMünchen. ISBN 978-3-540-34373-8 e-ISBN 978-3-540-34374-5 DOI 10.1007/978-3-540-34374-5 BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek DieDeutscheNationalbibliothek verzeichnet diesePublikation inderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. ©2009Springer-VerlagBerlinHeidelberg DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderediederÜber- setzung,desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung, derMikroverfilmung oderderVervielfältigung aufanderen WegenundderSpeicherung inDatenver- arbeitungsanlagen,bleiben,auchbeinurauszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervielfältigung diesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichen BestimmungendesUrheberrechtsgesetzes derBundesrepublikDeutschlandvom9.September1965in derjeweils geltenden Fassungzulässig. Sieistgrundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. Einbandgestaltung:WMXDesignGmbH,Heidelberg SatzundHerstellung:le-texpublishingservicesoHG,Leipzig GedrucktaufsäurefreiemPapier. 987654321 springer.de Zum Geleit Der schonende und wirtschaftliche Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen und die Verringerungvon Emissionen beschäftigt unsere Gesellschaft mehr als je zuvor. Gleichzeitig ist die heutige Welt ohne ein hohes Maß an Mobilität und so- mitauchdenzivilenLuftverkehrnurnochschwervorstellbar.DesWeiterensetzen GlobalisierungundÖffnungdernationalenLuftfahrtmärktedieFluggesellschaften einemstetigwachsendenKostendruckaus,densieandieLuftfahrtindustrieweiter- geben. Dies alles zwingtTriebwerksherstellerdazu, neue Konzeptezu entwickeln, die denbisherigenStandardbezüglichUmweltverträglichkeit,LeistungundWirkungs- graddeutlichübertreffenunddasbeigeringerenKosten. EffektivereundeffizientereMethodenzurKonzeption,Auslegung,Berechnung undKonstruktionsindunabdingbar,umdieseanspruchsvollenZielezuerreichen. DabeimöchtedasvorliegendeBuchStudentenundjungeIngenieure,aberauch wissenschaftliche Mitarbeiteran UniversitätenundFachhochschulenunterstützen. EsfokussiertaufdenfürWirkungsgradundBetriebsverhaltenbesonderskritischen Verdichter. Es ist durch seine Praxisnähe und Bebilderung auch als Nachschlage- werkgeeignet. Der Autor Dr.-Ing. Hubert Grieb war ab 1955 als Mitarbeiter von Dr. Bruno Eckert,demLeiterderAbteilungStrömungsmaschinenbeiDaimler-BenzinStutt- gart-Untertürkheim,und ab 1970 an führenderStelle im Entwicklungsbereichder damaligenMTU-MünchenGmbHtätig. UnserUnternehmendanktHerrnDr.GriebfürdieErstellungdieserPublikation. BeimZustandekommendiesesBucheshabendankenswerterweisevieleehema- ligeKollegenundbefreundeteFachleuteausForschung,LehreundIndustriemitge- holfen.IhnenseiDankfürIhreIdeenundBeiträge. Dr.RainerMartens VorstandTechnikderMTUAeroEnginesAG v Vorwort Entsprechend der Zielsetzung wendet sich dieses Buch an Studierende von Fach- hochschulen und Technischen Universitäten mit Vorkenntnissen in Luftfahrtan- trieben und Gasturbinen. Ebenso werden Ingenieure in der Luftfahrtindustrie an- gesprochen, die über ihre spezielle Tätigkeit hinaus wenig Gelegenheit haben, sich einen breiteren Überblick über das gesamte Gebiet der Verdichterfür Turbo- Flugtriebwerke mit den dabei wichtigen aero-/thermodynamischen und mecha- nisch/konstruktivenZusammenhängenundderdabeivorsichgehendenvielseitigen Entwicklungzu verschaffen.Dieses Buch mag aber auch Hinweise und Anregun- genfürIngenieurebieten,dieimBereichvonVerdichternfürstationäreGasturbinen oderderVerfahrensindustrietätigsind. IchdankederGeschäftsführungderMTUAeroEngines,aufderenAnregunghin dasBuchimJahre2000inAngriffgenommenwurde,fürdiegroßzügige,aktiveUn- terstützung,zumaldie Logistik undDatenbasisder MTU in Anspruchgenommen werden konnte und damit die Ausarbeitung des Buches im vorliegenden Umfang überhauptmöglichwar. Besonderen Dank schulde ich M. Dupslaff für die Aktualisierung und Erwei- terungdesEDV-Programmszur BerechnungundBewertungvon Wirkungsgraden mehrstufigerAxialverdichtermit Unterstützungdurch Dr. K.-P. Rüd und K. Spie- ker, wobei die weitere Anwendung bei der MTU vorgesehen ist. Mein Dank ge- bührt aber auch H.-P. Borufka für die Beratung und Beschaffung von Unterlagen zuSchaufel-/Rotor-Schwingungen,D.SchüttefürdieBeschaffungvonUnterlagen zuaero-elastischenProblemenundzumVogelschlag,Dr.G.KahlfürdieBeschaf- fungvonUnterlagenzuFlatter-Schwingungen,H.KirstenfürdieBeschaffungvon UnterlagenzurRotordynamik,Dr.K.HeinigfürdieBeratungunddieBeschaffung von Unterlagen zur Aero-Akustik und A. Halcoussis, W. Klußmann, M. Lahmer, U.Schmidt-Eisenlohr,D.SchmückerundR.SelmeierfürdieBeschaffungvonUn- terlagenfürdiestatistischeAuswertungvonAxial-undRadialverdichtern. Schließlich danke ich aber auch Dr. K.-P. Rüd für die Beschaffung von Trieb- werksdatenundfürmancherleiHinweisezuaktuellenVerdichter-undTriebwerks- entwicklungen. DarüberhinausmöchteichmichfürdievielenHinweise,AnregungenundInfor- mationenbedanken,dieichvonKollegenderMTUerhielt.Genanntseiendabeiin alphabetischerReihenfolge vii viii Vorwort Th.Breuer H.Krause M.A.Deubler M.Kroboth Dr.J.Esslinger A.Schäffler J.Frischbier St.Servaty Dr.W.Gaertner S.Sikorsky D.Helm Dr.E.Steinhardt Dr.M.Hoeger A.Utler F.Kennepohl Dr.St.Weber H.Klingels Dr.G.Wilfert FernergiltmeinherzlicherDankinbesondererWeiseP.Augustinfürdieexzellen- te Bearbeitung des Manuskripts und ebenso H.-M. Hechtl für die Herstellung der DiagrammeundSchematainausgezeichneterQualität. Mein Dank gebührt ferner H.-P. Borufka, Dr. K. Heinig, Dr. G. Kahl und G.SchüttefürdiefachkritischeDurchsichtdesManuskriptsimBereichderKapitel Aero-Akustik, Aero-Elastik und Mechanik, aber auch H. Schubert für die redak- tionelleBetreuungdesBuchesundstilkritischeDurchsichtdesManuskripts.Ferner dankeichK.Weiss,S.Hechtl,R.Lauber,K.Lechner,R.GlanderundR.Krawutsch- kefürihreunentbehrlicheHilfebeiderInanspruchnahmederFachbüchereiundbei Literaturrecherchen. IchdankeaberauchB.WohlfartfürdieverlässlichePräsenzundUnterstützung beidenverschiedenstenAnlässen. ZuguterletztabergebührtmeinbesondererDankmeinerFraufürihreMitarbeit, ebensowie fürihre großeGeduldundRücksichtnahmewährendderVorbereitung diesesBuches. München,März2007 Dr.-Ing.HubertGrieb Inhaltsverzeichnis 1 Zielsetzung .................................................... 1 2 Einleitung..................................................... 3 2.1 MaßgebendeRandbedingungen undtechnologischeBeschränkungenbeiVerdichtern............ 3 2.2 RolleundRelationderGestaltungsgrundsätze.................. 9 2.3 ThermodynamischeGrundlagen ............................. 10 2.4 AerodynamischeGrundlagen................................ 18 2.5 Ähnlichkeitsbedingungen................................... 25 2.6 KennfeldundArbeitslinie .................................. 29 3 ZeitlicheEntwicklungderVerdichter-Auslegungsparameter ........ 35 3.1 StatistischeErfassungundAnalyseexistierenderVerdichter...... 35 –MethodikderDatenerfassung.............................. 35 –Größeneinfluss .......................................... 36 –EinführungszeitraumEIS ................................. 39 –EinflussderRe-Zahl ..................................... 40 –NormiertepolytropeWirkungsgrade ........................ 45 3.2 StatistikderVerdichterdaten ................................ 46 3.2.1 Korrelationsparameter ............................... 46 3.2.2 1-stufigeFansvonzivilenTurbofansundMantelpropfans . 49 3.2.3 MehrstufigeND-VerdichtermilitärischerTurbofans ...... 59 3.2.4 „Booster“-StufenundMD-VerdichtervonTurbofans undMantelpropfans................................. 66 3.2.5 HD-VerdichtervonTurbofansundMantelpropfans....... 74 3.2.6 Axial-/RadialverdichterundmehrstufigeRadialverdichter fürkleineTurbofansundWellenleistungstriebwerke...... 82 3.2.6.1 Allgemeines ............................... 82 3.2.6.2 Axialteile.................................. 83 3.2.6.3 Radialverdichter............................ 88 3.2.7 Verdichterkennfelder ................................ 93 3.2.7.1 Normierung................................ 93 3.2.7.2 VariableGeometrie ......................... 99 ix x Inhaltsverzeichnis 4 IntegrationundDimensionierung ................................101 4.1 Vorbemerkung............................................101 4.2 ZivileTurbofans ..........................................102 4.2.1 Überblick..........................................102 4.2.2 1-stufigeFansfürTurbofansohneGetriebe mit2-oder3-welligemKerntriebwerk..................105 4.2.3 „Langsam“laufende„Booster“-Stufenbei2-Wellen- Turbofans .........................................109 4.2.4 Hochtourige„Booster“-StufenbeiTurbofanmitGetriebe..111 4.2.5 HD-Verdichtervon2-und3-Wellen-Turbofans ..........114 4.2.5.1 Allgemeines ...............................114 4.2.5.2 HD-Verdichtermit1-stufigerHD-Turbine fürzivile2-Wellen-Triebwerke(Falla) .........115 4.2.5.3 HD-Verdichtermit2-stufigerHD-Turbine(Fallb)117 4.2.6 ND-undHD-VerdichterinKerntriebwerkenvonzivilen 3-Wellen-Triebwerken...............................120 4.2.7 VerdichterkleinerTurbofansfürGeschäftsflugzeuge......121 4.3 MD-undHD-VerdichtervongroßenTurboprops ...............123 4.4 ND-undHD-VerdichterfürmilitärischeTurbofans mitNachbrenner ..........................................126 4.5 Ax/R-oder2R-VerdichtervonWellenleistungstriebwerkender Klasse1000kWfürHubschrauber,Kleintransporter undGeschäftsflugzeuge ....................................130 4.6 Schlussbemerkung ........................................131 5 AerodynamikdesAxial-undRadialverdichters ...................133 5.1 VorbemerkungenzuAxialverdichtern.........................133 5.2 ZusammenhängebeiderDurchströmungvonAxialverdichtern ...140 5.2.1 Drallgesetze .......................................140 5.2.2 StrömungimMeridianschnitt.........................146 –MethodederMeridianstromlinienkrümmung ..........147 –GeschlossenerAnsatzfürSonderfallR=50% .........149 –„Actuatordisktheory“ .............................152 –Singularitätenverfahren.............................156 –MethodederfinitenElemente .......................160 5.2.3 Strömung im Tangentialschnitt – Geschwindigkeitsdreiecke und aerodynamische Schaufelkräfte......................................160 5.2.3.1 BeziehungenzwischenStromflächen undZylinderschnitten .......................160 5.2.3.2 Geschwindigkeitsdreieckeundaerodynamische KräfteaufZylinderflächen ...................163 5.2.4 Verlustkorrelationen.................................167 5.2.4.1 Übersicht..................................167 5.2.4.2 ProfilverlustebeiUnterschall .................171 5.2.4.3 SupersonischeVerluste ......................176 5.2.4.4 VerlusteimtranssonischenBereich ............180 Inhaltsverzeichnis xi 5.2.4.5 VerlustedurchSeitenwandreibung.............185 5.2.4.6 Rand(Sekundär)-undSpaltverluste............187 5.2.4.7 Spaltumströmung...........................195 5.2.4.8 ReibunganLeitgitter-Innenringen.............199 5.2.5 Seitenwandgrenzschichten ...........................202 5.2.5.1 Allgemeines ...............................202 5.2.5.2 Schaufelkraftdefizite ........................204 5.2.5.3 StatistischeDaten zuSeitenwandgrenzschichtdicken .............209 5.2.5.4 TheoriederSeitenwand-Grenzschichtentwicklung211 5.2.5.5 StabilitätderSeitenwandgrenzschicht beiGitternmitRadialspalt ...................218 5.2.5.6 Schlussbemerkung..........................220 5.2.6 RadialeMischung...................................220 5.2.7 WirkungsgradeundAbreißgrenzen ....................232 5.2.7.1 Stufenwirkungsgradbeiinkompressibler undkompressiblerStrömung .................232 5.2.7.2 Abreißreserve ..............................240 5.2.7.3 EinflussdesRadialspielsaufAbreißreserve undWirkungsgrad ..........................250 5.2.7.4 EinflussderStator-Oberflächenstruktur überdenLaufschaufelnaufAbreißreserve undWirkungsgrad ..........................253 5.2.7.5 KombinationgünstigenWirkungsgrades mitakzeptablerAbreißreserve ................254 5.2.7.6 EinflussderStufenbelastungaufAbreiß-/ PumpgrenzemehrstufigerVerdichter...........258 5.2.8 BeurteilungundVorausberechnungvonWirkungsgraden mehrstufigerVerdichter..............................261 5.3 3-dimensionale,reibungsbehaftete,kompressibleDurchströmung .270 5.3.1 Navier-Stokes-GleichungenundTurbulenzmodellierung ..270 5.3.1.1 Vorbemerkungen ...........................270 5.3.1.2 Phänomeneder3D-Strömung.................270 5.3.1.3 Bewegungsgleichungen......................271 5.3.1.4 Turbulenzmodellierung ......................275 5.3.1.5 RückblickaufradialeMischung...............277 5.3.1.6 Euler-Gleichungen..........................278 5.3.1.7 PraktischeDurchführungder3-dimensionalen Rechnung .................................279 5.3.1.8 BeispielefürErgebnissezur3-dimensionalen BerechnungvonGittern......................281 5.3.1.9 BestehendeProblemzonen ...................286 5.3.1.10 InstationäreGitteraerodynamik ...............289 5.3.2 3D-EffektebeiderGestaltungderSchaufeln ............292 5.4 Radialverdichter ..........................................301 5.4.1 Vorbemerkungen ...................................301 5.4.2 Ringraum-bzw.Laufradgestaltung ....................301 xii Inhaltsverzeichnis 5.4.3 Rotordurchströmung ................................304 5.4.3.1 Überblick .................................304 5.4.3.2 ReibungsfreieStrömung .....................304 5.4.3.3 GrenzederAnwendbarkeitderTheorie derreibungsfreienStrömung..................307 5.4.3.4 Abschätzung der aerodynamischen Schaufelbelastung ..........................309 5.4.3.5 „Strahl-Dellen“- bzw. „jet-wake“- StrömungsprofilamRV-Radaustritt ............312 5.4.3.6 BlockageimRV-Rotordurch„Totwasser“ undSeitenwandgrenzschichten................320 5.4.3.7 GesichtspunktezurDurchströmung undGestaltungderaxialenRotor-Eintrittspartie..323 5.4.4 Minderleistungsfaktor ...............................324 5.4.5 Diffusoren.........................................327 5.4.5.1 Diffusor-Bauweisen.........................327 5.4.5.2 Diffusor-Durchströmung.....................329 5.4.6 Wirkungsgrad......................................332 5.4.7 ModerneBerechnungderRV-Durchströmung nachNS-3D-Methodik...............................337 6 Schaufel-/Profilgestaltung.......................................339 6.1 Axialverdichter ...........................................339 6.1.1 Vorbemerkungen ...................................339 6.1.2 Start-undRandbedingungen fürdieGitter-/Profilberechnung .......................341 6.1.3 Gitter bei inkompressibler Anströmung mit konventioneller Profilgestaltung (Skelettlinie + Grundprofil)imRückblick ...........................345 6.1.3.1 BerechnungnachkonformerAbbildung ........345 6.1.3.2 BerechnungnachderSingularitätenmethode ....352 6.1.3.3 BerechnungnachNACA-Gittermessungen......359 6.1.4 Gittereigenschaftenbeiinkompressibler undsubsonischerbistranssonischerAnströmung unterWindkanalbedingungenundimVerdichter .........368 6.1.5 BemerkungenzuGitternfürtranssonische undsupersonischeAnströmung .......................374 6.1.6 Gitterberechnungnach3D-Navier-Stokes-Methode.......379 6.1.7 FestlegungwichtigerGitterparameterbeimehrstufigen Verdichtern ........................................381 6.2 Radialverdichter ..........................................384 7 Betriebsverhalten ..............................................389 7.1 Vorbemerkungen..........................................389 7.2 Axialverdichter ...........................................390 7.2.1 KennlinienvonVerdichterstufen beiinkompressiblerStrömung ........................390
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