Modellierung und Bewertung des Off-Design Verhaltens von Verdampfern in der Triebwerksvorauslegung

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zur Untersuchung von Gasturbinen mit Dampfeinspritzung geleistet, die als neuartige Antriebskonzepte den Umwelteinfluss von Luftfahrttriebwerken verringern sollen. Dabei existieren bereits numerische Rechenprogramme, welche eine Auslegung der Abhitzedampferzeugerkomponente dieser Maschinen gewährleisten können. Allerdings ist deren Rechendauer zu groß, um in der Performancerechnung integriert zu werden. Deswegen ist ein schnelles und verlässliches Modell zur Abbildung des Betriebsverhaltens des Verdampfers in der Leistungsrechnung entwickelt worden. Dieses analytische, niedrigdimensionale Modell fur Rohrbündelwärmeubertrager basiert auf der P-NTU Berechnungsmethode, sowie auf Wärmeubergangs- und Druckverlustkorrelationen, welche durch die Ergebnisse von durchgefuhrten Parameterstudien verknüpft und angepasst worden sind. Die erforderlichen Ausgangsgrößen zur Berechnung der Zielgrößen, das heißt des Wärmestromes und der Druckverluste der beteiligten Prozessfluide, sind auf wenige Geometrieparameter, sowie die thermodynamischen Eintrittsgrößen und die Ergebnisse der Auslegungsrechnung reduziert worden. Die Genauigkeit des Modells ist durch Literaturdaten und Vergleichsrechnungen eines höherauflösenden Modells uberprüft worden. Daher konnte anhand des Modells zuverlässig gezeigt werden, dass die Auslegung des Verdampfers die Effizienz und die kritischen Betriebszustände einer Gasturbine mit Dampfeinspritzung maßgeblich beeinflusst. Außerdem sind in Randgebieten der Betriebsbereiche Einschränkungen in der Modellierungsgenauigkeit der Wärmeubertragungsfähigkeit, sowie der Druckverluste identifiziert worden. Letztere sind auf die Verwendung von gemittelten Temperaturen zur Berechnung der benötigten Zustandsgrößen zuruckgeführt worden.