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Publications at Chair of Aero Engines

Flexibles Luftsystem
Citation key 2020_woelki_absbe
Author Woelki, D. and Peitsch, D.
Year 2020
DOI 10.2314/KXP:175718158X
Location Berlin
Journal Abschlussbericht : Verbundprojekt: ECOFlex-Turbo : Vorhaben-Nr.: 3.4.4 : Zeitraum: 01.12.2016-29.02.2020
Note Also published in English as "ECOFlex-turbo 3.4.4 - modulated air system : final report" - "https://doi.org/10.2314/KXP:1757182853"

Technische Universität Berlin:
D. Woelki, D. Peitsch
School Technische Universität Berlin
Abstract Das Sekunärluftsystem (SAS) liefert Kühl- und Dichtluft, die für den sicheren Betrieb von Gasturbinen unerlässlich ist. Obwohl Kühlluft höhere Turbineneintrittstemperaturen (TET) und damit einen höheren thermischen Wirkungsgrad ermöglicht, ist Sekundärluft zugleich Quelle vielfältiger Verluste. Die Auslegung des SAS ist in der Regel auf einige kritische Betriebspunkte (OP, engl. operating points) beschränkt. Insbesondere in Flugtriebwerken sind die wichtigsten Sekundärluftströme unkontrolliert. In vielen OPs führt dies zu einer Übererfüllung der Sekundärluftanforderungen mit entsprechenden, potenziell vermeidbaren Verlusten. Dieses Projekt knüpft an frühere Arbeiten an, in denen das Potenzial und die Herausforderungen einer variabler Kühlluftführung im Off-Design untersucht wurden. Dieses Projekt ist in zwei Phasen gegliedert: Die erste befasst sich mit der Erweiterung eines bereits bestehenden Zoomingmodells, das im Wesentlichen ein Leistungsrechnungs- mit einem SAS-Modell verknüpft. Als neue Modellierungsaspekte werden Lebensdauern in der Turbine sowie die Integration sogenannte Fluidiks und deren Massenabschätzung vorgestellt. Die zweite Phase umfasst Konzeptstudien, die sich auf eine modulierte Sekundärluftversorgung im Vordrallsystem der Hochdruckturbine konzentrieren. Zentrale Ergebnisse sind die Trade-offs zwischen Brennstoffverbrauch und Kriechlebensdauer der Turbinenschaufel. Im Rahmen einer Business-Case Abschätzung kann gezeigt werden, dass positive Trade-offs zwischen diesen Zielfunktionen bestehen. Diese beinhalten eine Erhöhung der Kühlluft bei hohen Laststufen wie z.B. Take-Off und Steigflug, die einer Kühlluftreduktion im Reiseflug entgegenstehen. Dadurch werden die offensichtlichen Nachteile einer verringerten Schaufellebensdauer bei Kühlluftreduktion dadurch ausgeglichen, dass die relative Lebensdauer in den hohen Laststufen steigt. Die Business-Case Abschätung umfasst weiterhin Empfehlungen für ein gute, ausbalancierte Kühlluftverhältnisse zwischen hohen und niedrigen Laststufen. Um einige Beispiele für realistische, quantifizierte Vorteile der vorgeschlagenen Technologie zu nennen: Bei einer Langstreckenmission von 5000 NM könnte der kumulierte Kraftstoffverbrauch im Flug um etwa 0, 09 % bei unveränderter Kriechlebensdauer der Rotorschaufel eingespart werden. Kurzstreckenmissionen bis zu etwa 500 NM zeigen kein offensichtliches Potential für Verbesserungen im Kraftstoffverbrauch. Dennoch kann eine modulierte Sekundärluftzufuhr hier gewinnbringend verwendet werden, um die Kriechlebensdauer der Schaufeln unter Inkaufnahme eines höheren Kraftstoffverbrauchs zu erhöhen. Gleichzeitig ermöglichen Flugmissionen von ≥ 500 NM sogar Konfigurationen mit Vorteilen in beiden Zielfunktionen. Zusätzlich erforderliche Massen von Elementen zur Strömungsmodulation wie z.B. Fluidiks oder Ventile sowie zusätzlich benötigter Rohre etc. können relativ einfach in die Simulation implementiert werden. Der Malus der Zusatzmassen im Brennstoffverbrauch stellt sich dabei als Offset in den Diagrammen dar, die den direkten Trade-off zwischen Brennstoffverbrauch und Kriechlebensdauer darstellen. Insgesamt markiert die vorgestellte Methodik einen Meilenstein in der Fähigkeit, fundierte Konzeptstudien zu variablen SAS auf Grundlage von primär 1D-Modellen durchzuführen. Die Ergebnisse geben einen belastbaren Einblick in die wichtigsten Trade-offs und liefern Empfehlungen für zukünftige Studien zum wirtschaftlichen Nutzen der neuen Technologie. Darüber hinaus werden Empfehlungen für erforderliche Folgearbeiten formuliert.
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