1
Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
Design Release Review
Verdichterauslegung für eine
stationäre Gast...
2
Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
Ziele des Reviews
© 2016 – RWTH Aachen / IST
Reviewziele:
1. Nachw...
3
Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
Allgemeine Projektdaten / Vorgehensweise
Projektziele:
1. Dimensio...
4
© 2016 – RWTH Aachen / IST
0D/1D-Vorauslegung: Vorgehensweise
Ziel: Maximierung des polytropen Maschinenwirkungsgrades η...
5
● Ergebnisse der Parameterstudie:
○ Optimum: z = 14 , φ = 0,5657
mit ηp,t=0,8832
○ Weitere Stufenkenngrößen:
ρh = 0,4983...
6
● Joukowski-Transformation:
○ Ermöglicht Ableitung des Schaufelprofils
von einem Kreis
○ Kreisgeometrie ist determiniert...
7
1. Variation von x0 =(-0,002; -0,003; -0,0035)
○ x0 =-0,002: beste Aerodynamik, struktur-
mechanisch stabil, detailliert...
8
● Funktionsweise:
○ 2D-Euler-Grenzschichtverfahren: Berechnung der Eulergleichungen im
Fernfeld, der GS-Gleichungen in S...
9
Detailprofilierung: Vorgehensweise
© 2016 – RWTH Aachen / IST
Vorgehensweise und Verfahren:
● Übertragung der Joukowski-...
10
Detailprofilierung: Ergebnisse
© 2016 – RWTH Aachen / IST
Isentrope Machzahl
Ablöseblase und Transition an der Vorderka...
11
Vorstellung und Bewertung der Ergebnisse
● Formfaktor: 𝐻12 =
𝛿1
𝛿2
=
𝑉𝑒𝑟𝑑𝑟ä𝑛𝑔𝑢𝑛𝑔𝑠𝑠𝑐ℎ𝑖𝑐ℎ𝑡𝑑𝑖𝑐𝑘𝑒
𝐼𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑣𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡𝑑𝑖𝑐𝑘𝑒
○ H12 ...
12
© 2016 – RWTH Aachen / IST
Strukturmechanik – Spannungsberechnung
Calculation with StructureCalc-Tool
• Safety factor S...
13
© 2016 – RWTH Aachen / IST
Strukturmechanik – Eigenfrequenzanalyse
Results and Discussion
• Eigen frequencies and excit...
14
© 2016 – RWTH Aachen / IST
Zusammenfassung der Ergebnisse
Ergebnisse aus: Vorauslegung Finales Design
Stufenzahl z 14
D...
15
Zusammenfassende Bewertung
● Erreichen der Reviewziele:
1. Validierung der verwendeten Verfahren und Tools
2. Optimieru...
16
Das Review wurde
bestanden / mit Auflagen bestanden / nicht bestanden
P. Jeschke
Reviewergebnis
M. Enneking
M. Terstege...
Nächste SlideShare
Wird geladen in …5
×

Review_Gruppe 7_final

165 Aufrufe

Veröffentlicht am

0 Kommentare
0 Gefällt mir
Statistik
Notizen
  • Als Erste(r) kommentieren

  • Gehören Sie zu den Ersten, denen das gefällt!

Keine Downloads
Aufrufe
Aufrufe insgesamt
165
Auf SlideShare
0
Aus Einbettungen
0
Anzahl an Einbettungen
17
Aktionen
Geteilt
0
Downloads
0
Kommentare
0
Gefällt mir
0
Einbettungen 0
Keine Einbettungen

Keine Notizen für die Folie

Review_Gruppe 7_final

  1. 1. 1 Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen Design Release Review Verdichterauslegung für eine stationäre Gasturbine © 2016 – RWTH Aachen / IST Projektteam Bharath Anantharamaiah Johannes Janssen Frederik Stute Reviewer: P. Jeschke, M. Enneking, M. Terstegen
  2. 2. 2 Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen Ziele des Reviews © 2016 – RWTH Aachen / IST Reviewziele: 1. Nachweis der Tauglichkeit der verwendeten Vorgehensweisen und Verfahren 2. Nachweis der Einhaltung der Randbedingungen (Aerodynamik, Strukturmechanik, Geometrie, …) 3. Nachweis des erreichten Optimums (= max. polytroper Wirkungsgrad) 4. Nachweis der Validität der Auslegung
  3. 3. 3 Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen Allgemeine Projektdaten / Vorgehensweise Projektziele: 1. Dimensionierung eines Verdichters für eine stationäre Gasturbine hinsichtlich eines maximalen Wirkungsgrades 2. Profilierung des Rotorprofils der ersten Verdichterstufe mit dem Ziel eines max. Gitterwirkungsgrades Arbeitsorganisation: Gemeinsame Bearbeitung aller Teilaufgaben durch die gesamte Gruppe Durchführungszeitraum: 11/2015 - 01/2016 © 2016 – RWTH Aachen / IST Vorgehensweise: 1. 0D/1D-Vorauslegung (Excel-Parameterstudie) 2. Erstellung Startprofil (Joukowski) 3. Iterativ optimiertes Realprofil (pDesk) 4. Überprüfung Strukturmechanik (StructureCalc) 5. Rückführung der Ergebnisse in 0D/1D-Auslegung  Wirkungsgrad Nachrechnung mit MISES
  4. 4. 4 © 2016 – RWTH Aachen / IST 0D/1D-Vorauslegung: Vorgehensweise Ziel: Maximierung des polytropen Maschinenwirkungsgrades ηp,t  Optimierung von Stufenanzahl z und Durchflusskenngröße φ  Berechnung anhand eines Excel-Spreadsheets 1. Berechnung der Geschwindigkeitsdreiecke, der Stufenkenngrößen ρh und ψh, der Verlustziffern ω sowie der thermodynamischen Zustandsgrößen zwischen den Gittern aller Stufen 2. Iterative Berechnung des polytropen Maschinenwirkungsgrades ηp,t für verschiedene Stufenzahlen mit jeweils optimierten Durchflusskenngrößen φ 3. Auswahl der Parameterkonfiguration (z, φ) mit ηp,t,max
  5. 5. 5 ● Ergebnisse der Parameterstudie: ○ Optimum: z = 14 , φ = 0,5657 mit ηp,t=0,8832 ○ Weitere Stufenkenngrößen: ρh = 0,4983, ψh = 0,8039 ● Einhaltung der Auslegungskriterien: 0D/1D-Vorauslegung: Ergebnisse 0.875 0.88 0.885 0.5 0.6 0.7 10 11 12 13 14 15 16 17 ηp,t[-] φopt[-] Stufenzahl z Maschinenkenngrößen φ η © 2016 – RWTH Aachen / IST
  6. 6. 6 ● Joukowski-Transformation: ○ Ermöglicht Ableitung des Schaufelprofils von einem Kreis ○ Kreisgeometrie ist determiniert durch die Parameter (x0, y0, r) oder (x0, s, Δγ) + einfache Generierung – nur wenige Variationsmöglichkeiten ● Festlegung der Parameter: 1. Variation von x0 2. Bestimmung einer sinnvoller Sehnenlänge s mit h/s ≈1,6 (aus Vorauslegung) 3. Metallumlenkwinkel Δγ so, dass Δβ erreicht wird © 2016 – RWTH Aachen / IST Joukowski-Profilierung: Vorgehensweise y0 x0 r Δγ s
  7. 7. 7 1. Variation von x0 =(-0,002; -0,003; -0,0035) ○ x0 =-0,002: beste Aerodynamik, struktur- mechanisch stabil, detailliertes (pDesk-)Profil konvergiert nicht ○ x0 =-0,003: gute Aerodynamik, struktur- mechanische Sicherheit > 1,8 ○ x0 =-0,0035: schlechtere Aerodynamik 2. Sehnenlänge: s =0,26 m ○ Abschätzung mittels h/s =1,6 ○ Später fotografisches Skalieren (t/s =const) möglich, um Strukturmechanik zu genügen 3. Metallumlenkwinkel: Δγ =30,5° , λ =36,8° ○ Iterativ so bestimmt, dass der Austrittswinkel in Mises (ohne Nachstaffelung) erreicht wird y0 x0 r Δγ s © 2016 – RWTH Aachen / IST Joukowski-Profilierung: Ergebnisse (x0, s, Δγ)
  8. 8. 8 ● Funktionsweise: ○ 2D-Euler-Grenzschichtverfahren: Berechnung der Eulergleichungen im Fernfeld, der GS-Gleichungen in Schaufelnähe ○ Berechnung beruht auf dimensionslosen Kenngrößen: Re1, Ma1, β1, γ, AVDR ○ Dimensionslose Ergebnisse: Schaufel-Cp, Mais-Verteilung, β2, … ● Schaufelzahl-Optimierung: Gesamtverlust minimal für NSchaufel =19  t/s =0,8649 ● ωges =0,03483 ((ωInzidenz /ω)MISES =1,087)  Vorauslegung: ωges =0,05462 © 2016 – RWTH Aachen / IST Mises – Berechnung des Joukowski-Profils 0.0346 0.0348 0.035 0.0352 0.0354 0.0356 0.0358 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 17 18 19 20 21 22 0,9666 0,9129 0,8649 0,8216 0,7825 0,7470 Gesamtverlustzifferω Profilverlust-,Spaltverlustziffer Schaufelzahl NSchaufel & Teilungsverhältnis NSchaufel-Optimierung Profilverlust Spaltverlust Gesamtverlust
  9. 9. 9 Detailprofilierung: Vorgehensweise © 2016 – RWTH Aachen / IST Vorgehensweise und Verfahren: ● Übertragung der Joukowski-Koordinatendatei in pDesk ○ Generierung eines realen Profils – detaillierte Gestaltungsmöglichkeiten in pDesk – Randbedingung: min. Hinterkantendicke: 0,8 mm ○ Iterativer Designprozess zur Minimierung der Verluste ● Nachrechnung mit MISES  Konvergenzprobleme bei Modellierung der Vorderkante ● Rückführung der Verlustziffern in 0D/1D-Auslegungsrechnung
  10. 10. 10 Detailprofilierung: Ergebnisse © 2016 – RWTH Aachen / IST Isentrope Machzahl Ablöseblase und Transition an der Vorderkante ⇒ andere Variationen der VK-Geometrie: keine Konvergenz des MISES-Solvers Auslegungspunkt mit Inzidenz
  11. 11. 11 Vorstellung und Bewertung der Ergebnisse ● Formfaktor: 𝐻12 = 𝛿1 𝛿2 = 𝑉𝑒𝑟𝑑𝑟ä𝑛𝑔𝑢𝑛𝑔𝑠𝑠𝑐ℎ𝑖𝑐ℎ𝑡𝑑𝑖𝑐𝑘𝑒 𝐼𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑣𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡𝑑𝑖𝑐𝑘𝑒 ○ H12 > 4: Ablöseblase an der VK mit direktem Wiederanlegen und Transition ○ H12 ~ 1,5: turbulente Grenzschicht über nahezu gesamtes Profil => hohe Verluste: 𝑆𝑙𝑎𝑚 ~ 𝑐2; 𝑆𝑡𝑢𝑟 ~ 𝑐3−1/6 Wandreibungskoeffizient cf<0 : Ablösung Ablösung turbulent Off-Design-Verhalten:  Faktor (ωInzidenz /ω)MISES= 1,12 > 1,1 ωMISES 0,1247 ωMISES, i=+4° 0,1404 Detailprofilierung : Ergebnisse © 2016 – RWTH Aachen / IST
  12. 12. 12 © 2016 – RWTH Aachen / IST Strukturmechanik – Spannungsberechnung Calculation with StructureCalc-Tool • Safety factor S > 1,8 • Design is statically safe in operation Materialeigenschaften: Ti5Al2.5Sn Dichte ρs 4460 kg/m3 Streckgrenze Rp0,2 760 MPa E-Modul 117 GPa G-Modul 48 GPa Schaufelkräfte Axialkraft Fax -1297,73 N Umfangskraft Fu 1626,92 N Geometrie Gehäuseradius ra 0,8988 m Nabenverhältnis ri/ra 0,5131 Schaufelzahl NIGV 19 Drehzahlen der Maschine Drehzahl im Betriebspunkt 3600 min-1 Minimale Drehzahl 3450 min-1 Maximale Drehzahl 3750 min-1 Sicherheitsberechnung Max. Spannung σmax 330,39 MPa Sicherheitsfaktor S 2,3 Inputs: Outputs:
  13. 13. 13 © 2016 – RWTH Aachen / IST Strukturmechanik – Eigenfrequenzanalyse Results and Discussion • Eigen frequencies and excitation frequencies are not leading to resonance in the relevant rotation speed range • Blade design meets the necessary harmonic safety conditions
  14. 14. 14 © 2016 – RWTH Aachen / IST Zusammenfassung der Ergebnisse Ergebnisse aus: Vorauslegung Finales Design Stufenzahl z 14 Durchflusskenngröße φ 0,5657 Schaufelzahl NSchaufel 19 Polytroper Maschinenwirkungsgrad ηp,t 0,8832 0,8847 (+0,17%) Polytroper Gitterwirkungsgrad 1. Rotor ηp,t,1‘‘ 0,8988 0,9125 (+1,52%) Gesamtverlustkennziffer 1. Rotor ω 0,05462 0,04092 (-25,08%) Inzidenzverlustfaktor (ωInzidenz / ω)MISES 1,126 (>1,1) Statische Sicherheit S 2,3 (>1,8) Dynamische Sicherheit Keine Resonanz
  15. 15. 15 Zusammenfassende Bewertung ● Erreichen der Reviewziele: 1. Validierung der verwendeten Verfahren und Tools 2. Optimierung des Maschinen- & Gitterwirkungsgrades 3. Einhaltung der gegebenen Randbedingungen  Off-Design 4. Bestätigung der Validität des Verfahrens ● Ausstehende Aktionen: • Optimierung der Vorderkantengeometrie  Saugseitige Überbeschleunigung an der Vorderkante vermeiden • Analyse des Einflusses der Geometrieparameter  Optimierung der Aerodynamik • Verbesserung des Off-Design-Verhaltens, Einhaltens des Verlustfaktors • Spannungsreserve  Schaufel fotogr. verkleinern, bis 𝑅 𝑝0,2 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 1,8  Ersparnis von Kosten, Gewicht & Bauraum  h/s  Wandverlust & Sekundärverlust     © 2016 – RWTH Aachen / IST
  16. 16. 16 Das Review wurde bestanden / mit Auflagen bestanden / nicht bestanden P. Jeschke Reviewergebnis M. Enneking M. Terstegen Bharath Anantharamaiah Johannes Janssen Frederik Stute © 2016 – RWTH Aachen / IST

×