Forschungsverbund LeanTurb Förderkennzeichen 20T1108B Auslegung einer an Magerverbrennung angepassten 2-stufigen Turbine Schlussbericht

Kurzfassung

Bisherige Optimierungen des Wirkungsgrades von Turbinen verwendeten einfache radiale Profile der Eintrittsbedingungen. Der Einfluss von auch in Umfangsrichtung variierenden Strömungsfeldern auf den Wirkungsgrad wurde bislang nicht betrachtet, sondern nur der Einfluss auf einzelne Strömungsphänomene. Daher war es Ziel dieser Untersuchung zu bestimmen, inwieweit eine 2D-Turbineneintrittsverteilung (Variation der Strömungsgrößen über Radius und Umfang) den Wirkungsgrad verändert, wie der Unterschied im Wirkungsgrad im Vergleich zur 1D-Verteilung ist, wie die Wirkungsgradänderungen bei Geometrievariation mit den verschiedenen Verteilung (1D und 2D) sind und wie sich Heißgassträhnen in der Turbine ausbreiten. Die Arbeiten wurden mit Austrittsverteilungen einer Magerbrennkammer durchgeführt, wodurch zusätzlich noch ein Vergleich mit der Verteilung aus dem Vorhaben InterTurb (FKZ 20T0905B), welches einer konventionellen Brennkammer entspricht, ermöglicht wurde. Die Untersuchungen wurden mit dem speziell für Turbomaschinen entwickelten Strömungslöser TRACE des DLR durchgeführt. Es wurden zwei Optimierungen zur Erhöhung des Wirkungsgrades durchgeführt. Eine mit 1D-Verteilung sowie stationärer RANS-Simulation und die zweite mit 2D-Verteilung sowie instationärer RANS-Simulation. Ein Vorteil von 2D-Verteilungen oder der instationären Simulationsmethode für eine aerodynamische Optimierung hinsichtlich des Wirkungsgrades ist nicht erkennbar. Für die gezielte Untersuchung von Heißgassträhnen, Oberflächentemperaturen und der damit einhergehenden Kühlluftverteilung sind zweidimensionale Verteilungen, instationäre Simulationen und die Betrachtung der Positionierung von Brennkammer zur Hochdruckturbine unbedingt erforderlich. Auf Grundlage dieser Ergebnisse lassen sich Ressourcen bei der aerodynamischen Optimierung einsparen. Des Weiteren wurde der Bedarf für eine interdisziplinäre Optimierung (Simulation der Strömung und Simulation der Festkörperphysik) herausgearbeitet, um den Wirkungsgrad des Triebwerks weiter zu verbessern.