Theoretische Untersuchung über die Verbesserung des Flugverhaltens von Strahltriebwerken bei variablen Fluganforderungen durch kombinierte Leitschaufel- und Schubdüsenanpassung

163 Pages·1974·5.546 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Dettmering, Dr.-Ing. Walter Bitterlich, Dr.-Ing. Klaus Grahl (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr, 2416
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
vom Minister für Wissenschaft und Forschung J ohannes Rau
Prof. Dr. -Ing. Wilhelm Dettmering
Dr. -Ing. Walter Bitterlich
Dr. -Ing. Klaus Grahl
Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen
Theoretische Untersuchung über die
Verbesserung des Flugverhaltens
von Strahltriebwerken bei variablen
Fluganforderungen durch kombinierte
Leitschaufel- und Schubdüsenanpassung
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 197 4
© 1974 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1974
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN 978-3-531-02416-5 ISBN 978-3-663-19715-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-19715-7
I n h a l t s v e r z e i c h n i s
1 Einführung
5
2 Das Teillastverhalten des Triebwerksverdichters 7
2.1 Die Charakteristik der Verdichter-Einzelstufe 8
2.1.1 Stufe mit fester Schaufelgeometrie 8
2.1.2 Stufe mit veränderlicher Schaufelgeometrie 13
2.1.3 Vereinfachte Berechnung der Stufencharakteristik 14
2.2 Die Gesamtcharakteristik des vielstufigen Verdichters 22
2.2.1 Verdichter mit fester Schaufelgeometrie 22
2.2.2 Verdichter mit veränderlicher Schaufelgeometrie 24
2.2.3 Vereinfachte Berechnung der Gesamtcharakteristik 27
3 Das Teillastverhalten der Triebwerksturbine 33
3.1 Turbine mit fester Schaufelgeometrie 33
3.1.1 Darstellung des Turbinenkennfeldes 34
3.1.2 Berechnung des Betriebsverhaltens 35
3.2 Turbine mit veränderlicher Schaufelgeometrie 37
3,3 Vereinfachte Berechnung der Turbinencharakteristik 41
4 Zusammenarbeit der Flugtriebwerkskomponenten 43
4.1 Kennfeld von Verdichter und Turbine 43
4.2 Vereinfachte Berechnung der Betriebslinie 48
4.2.1 Vollast - Betriebslinie 50
4.2.2 Teillast - Betriebslinie 52
4.2.3 Linien konstanter reduzierter Turbineneintritts
temperatur Tt3/Tt1 im Verdichterkennfeld 54
4.2.4 Engster Querschnitt der Schubdüse bei kritischem
Betrieb 54
4.3 Einfluß der Verdichter-Leitschaufel-Verstellung auf die
Betriebslinie und auf die Schubdüsenanpassung 55
4.4 Einfluß der Turbinen-Leitschaufel-Verstellung auf die
Betriebslinie und die Schubdüsenanpassung 58
5 Einfluß der Leitschaufelverstellung auf den Flugbereich und
den Schub eines Triebwerks 59
6 Zusammenfassung 61
Abbildungen
73
- 2 -
Verzeichnis der Formelzeichen
Formelzeichen Bedeutung Dimension
Fläche m2
Schallgeschwindigkeit m/s
spezifische Schaufelarbeit kJ/kg
Gitterbreite m
spez. Brennstoffverbrauch kg/(sN)
Absolutgeschwindigkeit m/s
Fluggeschwindigkeit m/s
spez.Wärme bei konst.Druck kJ/(kg K)
Durchmesser m
Abstand im ~~-,·-Diagramm
Schub N
Flughöhe km
unterer Heizwert kJ/kg
spezifische Enthalpie kJ/kg
Stufenzahl
Stoßwinkel 0
K Durchfluß-Konstante (GL. 139) m s K 112
k Isentropenexponent
1 charakteristische Länge m
1 Schaufelhöhe m
M Machzahl
Mo Flugmachzahl
lfl Massenstrom kg/s
n Drehzahl 1/s
n Polytropenexponent
p Leistung kW
p Druck N/m2, b
R Gaskonstante J/(kg K)
Re Reynoldszahl
r Radius m
s spezifische Entropie kJ/(kg K)
s Sehnenlänge m
T Temperatur K
Tu Turbulenzfaktor
t Teilung m
u Laufradgeschwindigkeit m/s
V Volumen m3
V Volumenstrom m3/s
spezifische Volumen m3/kg
V
w Relativgeschwindigkeit m/s
X Druck-Größe (Gl. 139)
z Schaufelzahl
a absoluter Strömungswinkel 0
Anstellwinkel 0
Düsenbeiwert
- 3 -
ß relativer Strömungswinkel 0
ß Brennstoff/Luft-Verhältnis
Wirkungsgrad
Tl
e Strömungsumlenkung 0
A Verhältniszahl (Gl.141,/24/)
V kinematische Zähigkeit m2ts
Druckverhältnis
'Ir
p Dichte kg/m3
ph Reaktionsgrad
tp Durchflußkenngröße
1jl Enthalpiekenngröße
-
w Verlustbeiwert
- 4 -
Indizes Bedeutung
A Auslegungspunkt
A Auftrieb
a Austritt
a Außenradius
a axial
B Brennstoff
c Brennkammer
D Düse
e Eintritt
INA auf Normansaugzustand bezogen
i Innenradius
i i-te Stufe des Verdichters
k kritscher Zustand
La Laufrad
Le Leitrad
m mechanisch
m meridional
r radial
st Stufe
T Turbine
t total
u Umfangsrichtung
V Verdichter
w Widerstand
z Zwischenstelle
0 keine Schaufelverstellung
0 auf die Werte des stoßfreien Betriebs
punktes bezogen
0 Ebene vor dem Vorleitrad
1 Ebene vor dem Laufrad
2 Ebene nach dem Laufrad
3 Ebene nach dem Nachleitrad
0 Umgebungszustand
1 Zustand vor dem Verdichter
2 Zustand nach dem Verdichter
3 Zustand vor der Turbine
4 Zustand nach der Turbine
5 Zustand im Düsenaustritt
I Leitrad
II Laufrad
auf den Auslegungszustand bezogen
- 5 -
1. Einführung
Ein luftansaugendes Strahltriebwerk wird im allgemeinen für
den Auslegungszustand, gekennzeichnet durch die Flughöhe H A
0
und die Flugmachzahl M , optimal ausgelegt. Hierbei ergeben
sich charakteristische0ßrößen des Triebwerks wie die Drehzahl
nA' das Verdichterdruckverhältnis •tvA und für einen gefor-
derten Schub FA der Auslegungsmassenstrom ~A'
Leider arbeitet das Flugtriebwerk während der gesamten Flug
phase meistens nur kurzzeitig im Auslegungspunkt. Selbst im
normalen, stationären Reiseflug werden geringe Abweichungen
von diesem Optimalpunkt auftreten. Extreme Teillastzustände
ergeben sich beim Anlassen des Triebwerkes und beim Beschleu
nigen auf Vollast. Hierbei verändern sich die Drehzahl (von
Null bis zum maximalen Wert) sowie die Parameter Massenstrom,
Verdichterdruckverhältnis, Schub und Wirkungsgrad sehr stark.
In diesem Zusammenhang stellen sich zwei grundsätzliche Fragen:
1.1 Wie ist das Gesamtverhalten der Flugzeugantriebsturbine
bei extremen (thermodynamischen und aerodynamischen) Teil
lastzuständen zu beschreiben und
1.2 welche Regeleingriffe sind bei derartigen Triebwerken
zur Veränderung der Betriebszustände möglich und wirt
schaftlich?
Zu 1.1
Die Teillastverhältnisse eines Flugtriebwerkes sind graphisch
in Form eines vollständigen Kennfeldes darstellbar. Die Ein
zelcharakteristiken können dabei entweder durch Versuche am
Triebwerk (bzw. am Modell) oder analytisch ermittelt werden.
Direkte Messungen am Prüfstand ergeben zwar die sicherste
Aussage für das Teillastverhalten, es ist jedoch bei Trieb
werksneuauslegungen die Kenntnis des Leistungsverhaltens auch
außerhalb des Auslegungspunktes bereits im Vorprojektstadium
erforderlich, denn sie ermöglicht eine u.U. notwendige Korrek
tur (z.B. an der Geometrie der Beschaufelung) vor der Her
stellung u. gibt eine gewisse Sicherheit für das Erreichen
des Herstellungspunktes. Eine mögl. genaue theoretische Vor
ausberechnung des Teillastverhaltens ist deshalb unumgäng
lich. Eine derartige allgemeine Theorie setzt die Lösung der
zweiten Hauptaufgabe der Gittertheorie voraus und faßt die ver
änderlichen Parameter in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit zu
sammen. Dabei werden hier im wesentlichen stationäre Zustände
behandelt. Instationäre Vorgänge können näherungsweise als
eine Aufeinanderfolge von quasistationären Zuständen angese
hen werden, die jeder einzelnen den hier zu untersuchenden
Gesetzmäßigkelten gehorchen.
Die gewünschte Allgemeingültigkeit einer derartig umfang
reichen Theorie ist praktisch nicht erreichbar. Eine ge
forderte kombinierte Gesamtbetrachtung des Flugtriebwerks
im Teillastbetrieb ergibt z.B. wegen der komplizierten
- 6 -
aerodynamischen StrBmungsvorgänge der vielstufigen Einzel
komponenten Verdichter und Turbine erhebliche Schwierig
keiten. In den Kapiteln 2 und 3 werden die Teillastpunkte
des Verdichters und der Turbine untersucht. In Kapitel 4
wird das Zusammenwirken der Einzelkomponenten des Triebwerks
betrachtet.
Zu 1.2
Die Gründe für eine gute Regelung an luftansaugenden Strahl
triebwerken sind u.a. folgende:
a) Verbesserung des Teillastwirkungsgrades,
b) Vermeidung des Pumpens des Verdichters bei Teillast,
c) Beschleunigung des Regelvorganges.
Die dabei auftretenden Probleme sind vielgestaltig, da nicht
nur die Charakteristiken der Verdichter selbst große Unter
schiede aufweisen, sondern auch die Eigenschaften der Ver
brauchersysteme (Brennkammer, Turbine, Schubdüse) sehr ver
schieden sind. Dementsprechend kBnnen von den einzelnen Pri
märimpulsen (Drehzahl, Massenstrom, Leistung) ausgehend ver
schiedene Regelverfahren angewandt werden. Dabei stellt sich
die Frage, welche Regeleingriffe mBglich und welche in wirt
schaftlicher Hinsicht zweckmäßig sind. Eine genaue Untersu
chung der thermodynamisch-strBmungstechnischen Verhältnisse
infolge der Regeleingriffe ist also notwendig.
So kBnnen zwar prinzipiell am Verdichter und an der Turbine
alle jene Eingriffe vorgenommen werden, die auch sonst im
stationären Turbomaschinenbau üblich sind, z.B.:
a) Abblasen bzw. Zwischenabblasen (Öffnen zum 2. Kreis),
b) Drosseln (Klappe vor der Brennkammer),
c) Teilbeaufschlagung, Stufenumgehung,
d) Wassereinspritzung in die Brennkammer,
e) Drehzahlvariation durch Veränderung der Brennstoffzufuhr,
f) Verstellbare Leit- bzw. Laufschaufeln
g) Verstellbare Schubdüsenaustrittsfläche,
aber die unter a) bis c) angeführten Regeleingriffe sind z.T.
schwer durchführbar oder völlig unwirtschaftlich. Die schlech
ten Teilwirkungsgrade lassen diese Regelungen trotz ihrer Ein
fachheit für Flugtriebwerke praktisch ausscheiden. Zum Zwecke
einer vorübergehenden starken Leistungssteigerung kann nach
d) Wasser in die Brennkammer eingespritzt und dort verdampft
werden, wobei die Verdampfungswärme durch eine gleichzeitige
ErhBhung der Brennstoffzufuhr aufzubringen ist. Die so erreich
bare Leistungssteigerung ist zwar sehr beträchtlich; aber
wegen des Abfalls des thermischen Wirkungsgrades, des außer
ordentlich hohen Wasserverbrauchs und wegen der Korrosion der
Turbinenbeschaufelung kann eine derartige Anwendung hier kaum
in Erwägung gezogen werden. Am weitverbreitesten ist der
alleinige einfache Regeleingriff nach e), wo durch Veränderung
- 7 -
der Brennstoffzufuhr die Eigenschaften des Triebwerks gere
gelt werden. Dabei wird der indirekte Eingriff hier an dem
Kompressorenantrieb vorgenommen, und die sich einstellenden
Betriebszustände ergeben sich aus dem Zusammenspiel der
Charakteristiken von Antrieb, Verdichter und Verbraucher,
die im System "Strahltriebwerk" eine Einheit bilden.
Diese alleinige Regelung ist aber vom Standpunkt der Aero
dynamik höchst unbefriedigend, da sich hier erzwungene
Teillastzustände mit schlechten Wirkungsgraden einstellen,
denn sowohl die Gitterströmung als auch die Düsenanpassung
stimmen nicht mehr mit den Auslegungsdaten Uberein. Um diese
Verhältnisse optimaler zu gestalten, d.h. die Teillastwirkungs
grade hoch zu halten, ist eine kombinierte gleichzeitige Re
gelung der Flugzeugantriebsturbine nach den Möglichkeiten e)
bis g) wünschenswert. Bei genauer, gegenseitig abgestimmter
Brennstoffzufuhr sowie DUsenflächen- und Schaufelverstellung
ist eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung für alle Teil
lastzustände zu erwarten. Außerdem ist es möglich, durch Ver
stellen der Leit- oder Laufräder bzw. der Leit- und Laufrä-
der den stabilen Arbeitsbereich des Strahltriebwerkes in wei
tem Maße zu verändern. Der zusätzliche konstruktive Aufwand
(DUsenklappenmechanismus, Schaufelverstellung) und das kom
pliziertere Regelsystem (größere Störanfälligkeit) mUßten
durch die aerodynamische Verbesserung ausgeglichen werden.
2. Das Teillastverhalten des Triebwerksverdichters
Untersuchungen über das Regelverhalten von Flugtriebwerken
setzen voraus, daß für den Verdichter und die Turbine der
Zusammenhang bekannt ist, der zwischen den einzelnen, den
Betriebszustand des Triebwerkes kennzeichnenden Größen, be
steht. Eine der wesentlichen Schwierigkeiten bei der Berech
nung des Teillastverhaltens ist die Erfassung und Einbezie
hung dieser Parameter in den Rechenablauf. Diese Betriebs
größen sind hauptsächlich:
die Totalenthalpiedifferenz ~ht zwischen Ein- und Austritt
oder
die spezifische Schaufelarbeit der Stufe a,
die Drehzahl n,
der Massenstrom
~.
der polytrope Totalwirkungsgrad nt'
Es existieren funktionale Zusammenhänge untereinander und außer
dem sind sie abhängig von den geometrischen Verhältnissen, dem
Eintrittszustand und der Art des Fluids. Die VerknUpfung der
Betriebsgrößen untereinander ist durch das vollständige Kenn
feld des Triebwerks gegeben, in dem z.B. das Druckverhältnis
n (oder die Enthalpiedifferenz) des Triebwerks und der poly
trope Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Massenstrom und der
Drehzahl dargestellt sind. Nach den Gesetzen der Ähnlichkeits-