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TU Berlin

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Dissertationen

Numerische Untersuchung der aerodynamischen und aeroelastischen Effekte der druckerhöhenden Verbrennung in Axialverdichtern
Zitatschlüssel bicalho_diss_2022
Autor Victor Bicalho Civinelli de Almeida
Jahr 2022
DOI 10.14279/depositonce-16152
Ort Berlin
Monat September
Herausgeber DepositOnce - Institutional Repository for Research Data and Publications of TU Berlin
Wie herausgegeben Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International CC BY-NC 4.0
Schule Technische Universität Berlin
Zusammenfassung Um den Treibstoffverbrauch von Luftfahrtantrieben und stationären Gasturbinen weiter zu reduzieren, sind neuartige Technologien erforderlich, die eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung ermöglichen. Einer dieser Ansätze besteht darin, die herkömmliche Gleichdruckverbrennung durch eine Verbrennung mit Drucksteigerung (engl. pressure gain combustion, PGC) zu ersetzen. Die sogenannte druckerhöhende Verbrennung erzielt einen höheren thermischen Wirkungsgrad, allerdings mit dem Nachteil eines höchst instationären Verbrennungsprozesses. Dieses Verfahren stellt eine Herausforderung für die angrenzenden Turbomaschinenkomponenten dar, da dabei zusätzliche Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen in Verdichter und Turbine induziert werden. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum besseren Verständnis über die Auswirkungen der PGC auf den stomaufliegenden Verdichter. Zu diesem Zweck wurden numerische Untersuchungen zur instationären Aerodynamik und Aeroelastik durchgeführt, um die strömungs- und strukturmechanischen Reaktionen von zwei Hochdruckverdichtern zu bewerten, die den Störungen der PGC ausgesetzt sind. Es wurde eine analytische Formulierung entwickelt, um die Änderung der Amplitude der sich durch das Triebwerk ausbreitenden Störwellen zu modellieren. Dieser Ansatz ermöglichte es, eine Anfachung der Amplitude der PGC-Störungen bei niedrigen Verbrennungsfrequenzen zu identifizieren. Die Einbußen in der Verdichterleistung für vielstufige Konfigurationen wurde in Abhängigkeit der Frequenz, Amplitude und Gestalt der PGC-Störung bewertet. Datenbasierte Ansätze, einschließlich der proper orthogonal decomposition und der dynamic mode decomposition, zeigten eine Streuung von Energie und Kohärenz in höhere Modenordnungen sowie Unterschiede von spezifischen Strömungsmerkmalen zwischen dem stationär durchströmten Verdichter und dem Vergleichsfall mit PGC. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, welche Strömungsphänomene unmittelbar mit dem identifizierten Anstieg der Stufenverluste zusammenhängen. Die Untersuchungen zu erzwungenen Schwingungen zeigten einen signifikanten Anstieg des Schwingungs- und Spannungsniveaus an den Rotorschaufeln, wenn diese den PGC-Störungen ausgesetzt sind. Die erhöhte strukturelle Belastung wurde auch unter Einsatz der Kombination von instationärer Anregung, datengesteuerter Zerlegungen und der Modalanalyse untersucht.
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