Zeitschrift für angewandten Maschinenbau

Abstrakt

Verbesserung der Effizienz von Gasturbinen im Off-Design-Betrieb durch Anpassung der Staffelungswinkel von Turbinen- und Kompressorschaufeln

Schobeiri MT

Gasturbinen im Allgemeinen und Flugzeugtriebwerke im Besonderen unterliegen häufig dynamischen Vorgängen. Zu diesen Vorgängen gehören das routinemäßige Anfahren, Lastwechsel und Herunterfahren, um ihren Betriebsbereich abzudecken. Die Häufigkeit des dynamischen Betriebs hängt von der Größe der Triebwerke und dem Anwendungsbereich ab. Triebwerke für Pendlerflugzeuge und insbesondere Hubschraubertriebwerke arbeiten häufiger in einem Off-Design-Modus als große kommerzielle Flugzeugtriebwerke und Gasturbinen zur Stromerzeugung. Während dieser Routinevorgänge ändern sich der Kompressormassenstrom, das Druckverhältnis, der Brennstoff- und Luftmassenstrom in der Brennkammer sowie der Turbinenmassenstrom. Diese Änderungen wirken sich auf die aerodynamische Leistung und den Wirkungsgrad des Triebwerks aus. Um das Auftreten von rotierendem Strömungsabriss und Pumpen zu vermeiden, sind Hochleistungsgasturbinen mit Mechanismen ausgestattet, die die Staffelungswinkel des Stators anpassen und so den Strömungsaustrittswinkel des Stators auf den Rotoreintrittswinkel ausrichten, wodurch ein übermäßiger Anstellwinkel verringert wird. Die Verringerung des Anstellwinkels gewährleistet nicht nur den stabilen Betrieb des Kompressors, sondern verhindert auch eine Verschlechterung des Kompressorwirkungsgrads. Das Vorhandensein eines inhärenten positiven Druckgradienten kann eine Grenzschichtablösung an den Kompressorschaufeln verursachen, was zu rotierendem Strömungsabriss und Pumpen führt. Solche Bedingungen gibt es jedoch bei einer Turbine nicht und deshalb gab es keinen zwingenden Grund, die Methode der Schaufelverstellung auf die Turbinenkomponente anzuwenden. In dieser Arbeit wird erstmals der Einfluss der Einstellung des Staffelungswinkels der Turbinenschaufeln auf den Wirkungsgrad einer Gasturbine während des Betriebs gezeigt. Die in dieser Arbeit beschriebene umfassende dynamische Simulation unter statistisch verteilten Lastbedingungen zeigt, wie sich der Wirkungsgrad durch eine richtige Schaufelverstellung positiv beeinflussen lässt. Für den zeitabhängigen Betrieb wurde der vom Autor entwickelte Code GETRAN um die zeitabhängige Einstellung der Turbinenschaufeln erweitert. Um die dynamische Simulation mit Einstellung des Staffelungswinkels des Turbinenstators während eines dynamischen Betriebs durchzuführen, wurde die vollständige Geometrie der Brown Boveri GT-9-Gasturbine verwendet. Ausgehend vom Referenzstaffelungswinkel wird dieser in einem Anstellbereich von ± 3 Grad variiert. Detaillierte Simulationsergebnisse zeigen die erhebliche Wirkungsgradsteigerung durch die Einstellung der Staffelungsschaufeln des Stators.