Kurzbeschreibung

Die Abdichtung zwischen statischen und rotierenden Bauteilen in axialen Turbomaschinen erfolgt im Nabenbereich von Verdichterstatoren üblicherweise mithilfe eines Innendeckbandes bzw. freistehend. Die Wahl der Konfiguration wird von aerodynamischen, mechanischen und betriebswirtschaftlichen Faktoren beeinflusst und muss daher in einem multidisziplinären Umfeld bewertet werden. Sie beeinflusst in direkter Weise sowohl den Verdichterwirkungsgrad und dessen Betriebsbereich, als auch den Thermalhaushalt der Rotoren und damit die Lebensdauer der Komponenten im Verdichter. Die mit der Wahl der Leitradkonfiguration verbundenen Wärmeübergangseffekte im Nabenbereich spielen vor allem im hinteren Bereich des Hochdruckverdichters eine entscheidende Rolle. Indirekt beeinflusst die Statorkonfiguration hier auch das Sekundärluftsystem im Bereich der Turbine.

Die Strömungsverluste im Heißgaskanal hängen stark vom individuellen Design, also den spezifischen aerodynamischen Kenngrößen der jeweiligen Turboarbeitsmaschinenstufen, ab und unterscheiden sich grundlegend zwischen beiden Leitradkonfigurationen. Maßgeblich werden die durch die Leckageströmung hervorgerufenen aerodynamischen Verluste durch die Enthalpiekennzahl, den Durchflusskoeffizienten, den Reaktionsgrad sowie das Teilungsverhältnis bei deckbandlosen Statoren und die Anzahl der Dichtfinnen am sog. „Inner Air Seal“ bei Statoren mit Innendeckband bestimmt [2]. Aus diesem Grund kann die Entscheidung bezüglich der Statornabenkonfiguration nicht allgemeingültig getroffen werden, sondern erfordert für jede Maschine eine eigene Bewertung.

In enger Kooperation mit der MTU Aero Engines AG soll eine Konzeptentscheidung für zukünftige Triebwerksgenerationen getroffen werden. Im Rahmen der Zusammenarbeit soll mittels numerischer Strömungssimulation sowie 1D-/2D-Ansätzen die aerodynamische Güte des Verdichters und das Thermal- und Betriebsverhalten untersucht werden. Innerhalb des übergeordneten Projekts sollen außerdem der Wirkungsgrad des Gesamtsystems, strukturmechanische Gesichtspunkte sowie Fertigungsstrategien und -kosten bewertet werden.

Quellen:

[1]         Albrecht, G.: Grundlagen der Triebwerkskonstruktion, Manuskript zur Vorlesung, BTU Cottbus, 2004

[2]         Yoon, S.; Selmeier, R.; Cargill, P.; Wood, P.: Effect of the Stator

Hub Configuration and Stage Design Parameters on Aerodynamic Loss in               

Axial Compressors, In: Journal of Turbomachinery 137, 2015

Projektziele

• Erarbeitung der überlegenen Statornabenkonfiguration für den spezifischen Anwendungsfall
• Optimierung der gewählten Konfiguration im Hinblick auf aerodynamische und thermische Anforderungen
• Auswahl und Definition von möglichen Hardwaretests

Projektpartner

MTU Aero Engines AG

Bearbeiter

Hulusi Altay Damgacioglu, M.Sc.