Regelung abgelöster Strömungen in hoch belasteten Turbomaschinen
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Beschreibung
Bei der Steigerung der Effektivität von Turbomaschinen, wie sie in modernen Flugzeugtriebwerken oder Gasturbinen zur Stromerzeugung verwendet werden, stößt man heutzutage an Grenzen, in denen formgebende Eingriffe zur Strömungsoptimierung nahezu ausgeschöpft scheinen. Methoden der aktiven Strömungskontrolle haben in den letzten Jahren bereits in einer Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen ihr enormes Potential bei der Beeinflussung und Optimierung von Strömungsprozessen unter Beweis gestellt. Zur weiteren Leistungssteigerung kommerzieller Triebwerke wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht, inwiefern die Technologie der aktiven Strömungskontrolle Potential besitzt, die Leistungssteigerung weiter voranzutreiben, indem sie dazu beiträgt, die charakteristischen Ablöseprozesse zu verzögern oder sogar zu verhindern. Der Verdichter bildet eine elementare Triebwerkskomponente, welche einen Großteil zum Gesamtgewicht und der Baulänge beiträgt. Eine Reduzierung der benötigten Verdichterstufen unter Beibehaltung des aufgebauten Gesamtdrucks kann dazu führen, dass zukünftige Triebwerksgenerationen kompakter gebaut werden können und dabei dieselbe Leistung aufweisen. Hiermit ließen sich sowohl die Bau- als auch Wartungskosten reduzieren, der Treibstoffverbrauch könnte gesenkt und damit letztlich die Umwelt entlastet werden. Um das Ziel der Reduzierung benötigter Verdichterstufen umzusetzen, ist es daher notwendig, das Stufendruckverhältnis einer einzelnen Verdichterstufe, bestehend aus einer Rotor- und einer Statorstufe, zu erhöhen. Dadurch ist es möglich, die Effektivität des Antriebes zu steigern, ohne in den thermodynamischen Kreisprozess des Triebwerks eingreifen zu müssen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden regelungstechnische Verfahren präsentiert, mit deren Hilfe eine effiziente Reduzierung der Strömungsablösungen an einer hochbelasteten Statorkaskade und einem Axialventilator umgesetzt werden kann. Durch Einblasen gepulster Luft in den Kopfspalt zwischen Rotorblättern und Gehäusewand des Axialventilators kann die rotierende Instabilität gemindert und der effektive durchströmte Querschnitt vergrößert werden. Mittels einer robusten Regelung auf Basis der H∞-Synthese kann der erreichbare Druckaufbau gesteigert und der aerodynamisch nutzbare Betriebsbereich deutlich vergrößert werden. Ein Betrieb in normalerweise bereits instabilen Betriebspunkten wird dadurch ermöglicht. Die Maschine kann durch den Einsatz adaptiver Regelungsverfahren automatisch stabilisiert werden und es wird gezeigt, dass aufgebrachte Störungen kompensiert werden und sich ein instabiler Betrieb vermeiden lässt. Aufgrund einer überkritischen Umlenkung kommt es in der Statorkaskade zu einer druckinduzierten Ablösung und zur Ausbildung von Eckenwirbeln, welche zu deutlichen aerodynamischen Verlusten führen. Im Zuge einer robusten Regelung können die sekundären Wirbelstrukturen gemindert und Störungen des Nachlaufes kompensiert werden. Dadurch lässt sich die Verblockung der Kaskade reduzieren und der Druckaufbau erhöhen. Um eine gezielte Beeinflussung beider Wirbelphänomene separat zu ermöglichen, können zwei relevante Regelgrößen identifiziert werden. Zum Lösen der daraus resultierenden Mehrgrößenregelungssaufgabe werden sowohl robuste Verfahren als auch klassische Entkopplungsregler eingesetzt. Die Regelungsverfahren ermöglichen einen deutlichen Druckzugewinn an der Hinterkante und erweisen sich als robust gegenüber aufgebrachten Störungen. Überdies hinaus können Extremwertregler genutzt werden, um energieeffiziente Anregeparameter zu identifizieren.
Autor*in
Olaf Wiederhold
Themen in »Regelung abgelöster Strömungen in hoch belasteten Turbomaschinen«
Axialventilator Grenzschichtablösung Regelungstechnik Reglerentwurf Strömungskontrolle Strömungsmaschine Ständer (Technik) Triebwerk Verdichter