Search

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Strömungsverhalten und der Optimierung von Übergangsdiffusoren von zweiwelligen Kleingasturbinen bei vergleichsweise kleinen Eintrittsreynoldszahlen (∼ 10000), welche sich aus den geringen Abmessungen ergeben. Im Zuge der Untersuchung wird ebenfalls auf die Modellierung des Kreisprozesses von Kleingasturbinen eingegangen. Dabei wird der Einfluss von parasitären Effekten wie unerwünschte Wärmeleitung aufgrund der geringen Abmessungen betrachtet, um möglichst realistische Randbedingungen für die Diffusoruntersuchung zu generieren. Einleitend wird auf Trendprognosen betreffend der unbemannten Luftfahrt eingegangen, was ein mögliches Anwendungsgebiet von zweiwelligen Kleingasturbinen als Antriebsmaschine darstellt. Diese Prognosen zeigen einen steigenden Trend für Drohnennutzung im kommerziellen Sektor, wodurch ein erhöhter Bedarf für Forschung und Entwicklung im Bereich der Antriebskomponenten für UAVs zu erwarten ist. Im Zuge dessen wird auf ein spezielles Drohnenkonzept eingegangen, welches die Möglichkeit bietet, eine Kleingasturbine als Antrieb zu verwenden und deren Vorteile für den Flugbetrieb zu nutzen. Dabei wurde eine benötigte Antriebsleistung von etwa 40 kW abgeschätzt. Wie eine durchgeführte Marktsondierung zeigt, sind jedoch im Bereich der Kleingasturbinen im betrachteten Bereich von bis zu 500 kW keine Wellenleistungstriebwerke mit mehr als 15 kW Antriebsleistung direkt verfügbar. Im Vorfeld der Strömungsuntersuchungen wurde deshalb ein vorhandenes Strahltriebwerk in ein Wellenleistungstriebwerk übergeleitet, woraus sich die Hauptabmessungen des Übergangsdiffusors ergaben. Dazu wird zunächst die relevante Literatur betreffend Kleingasturbinen aufgezeigt. Weiters werden die bekanntesten Erkenntnisse betreffend der Strömung und der Optimierung von Übergangsdiffusoren angeführt. Es zeigt sich, dass sich der Großteil der bekannten Diffusorliteratur auf Eintrittsreynoldszahlen bezieht, die um eine Größenordnung über jenen liegt (∼ 100000), welche in Übergangsdiffusoren von Kleingasturbinen auftreten. Um Besonderheiten betreffend der Modellierung von Kleingasturbinen besser beurteilen zu können, wurde im Vorfeld der Triebwerksüberleitung eine Messung an der institutseigenen Kleingasturbine durchgeführt. Im Zuge dessen wurde die Messtechnik des Gasturbinenprüfstandes erneuert und ein Messprogramm zur digitalen Datenauswertung erstellt. Parallel zu der experimentellen Untersuchung wurde der thermodynamische Kreisprozess der Kleingasturbine mittels geeigneter Simulationssoftware modelliert. Durch den Vergleich der Messdaten mit den Simulationsergebnissen konnte anschließend das Simulationsmodell validiert werden. Auf Basis dessen wurde für das Triebwerk, welches für die Überleitung ausgewählt wurde, ebenfalls eine Kreisprozesssimulation durchgeführt. Daraus ergaben sich die Zustandsgrößen am Austritt der Gasgeneratorturbine. Die Strömungsgrößen wurden dabei durch eine parallel ausgeführte Mittelschnittrechnung generiert. Durch die anschließende Vorauslegung der Nutzleistungsturbine wurden schließlich die Hauptabmessungen des Übergangsdiffusors fixiert. Die Größen am Gasgeneratoraustritt wurden anschließend als Eintrittsrandbedingung für die numerische Untersuchung des Übergangsdiffusors verwendet. Neben der Variation von Turbulenzgrad und Versperrung am Diffusoreintritt wurde auch der Einfluss des mittleren Diffusoröffnungswinkels, sowie des Kantenradius an den Stoßkanten der Diffusorwände untersucht. Zusätzlich wurde bei den einzelnen Berechnungen die Diffusorlänge variiert. Dadurch konnten optimale Diffusorlängen für maximalen Druckrückgewinn sowie der Druckrückgewinn in Abhängigkeit de rDiffusorlänge gewonnen werden. Durch eine zweidimensionale Simulation konnte eine Vielzahl an Diffusorgeometrien untersucht und schließlich mit den Ergebnissen aus der bekannten Diffusorliteratur verglichen werden. Dabei stellte sich heraus, dass auch bei geringeren Eintrittsreynoldszahlen die bekannte Literatur für die Auswahl optimaler Geometrien verwendet werden kann. Dies gilt jedoch nur für ein bestimmtes Kanalhöhenverhältnis von etwa 1,2. Für abweichende Kanalhöhenverhältnisse ergeben sich aus dieser Arbeit ebenfalls Diffusordiagramme, die für eine Vorauswahl optimaler Geometrien bei kleinen Eintrittsreynoldszahlen herangezogen werden können. Im Anschluss an die Untersuchungen betreffend geradwandiger Übergangsdiffusoren wurde eine Geometrieoptimierung auf Basis der erhaltenen Hauptabmessungen durchgeführt. Dabei wurde die Methode der antwortflächenbasierten Optimierung verwendet. Dadurch konnte bei gleichem Druckrückgewinn der Diffusor um 30 %verkürzt werden. Abschließend wurde die Rückwirkung der Nutzleistungsturbinenleitreihe auf die Diffusorströmung mit Hilfe eines porösen Mediums untersucht., This thesis deals with the numerical investigation of flows within intermediate turbine ducts at low inlet Reynolds numbers (∼ 10000), as these flows occur in micro-gas turbines due to small dimensions. Modelling of micro-gas turbines is also part of the present work in order to generate realistic boundary conditions for the duct flow investigation. Initially, trend forecasts concerning unmanned aerial vehicles (UAVs) are discussed.UAVs represent a possible field for a micro-turbo shaft gas turbine application. As the forecasts show an increasing trend for commercial UAV use, a growing demand of research and development in the field of UAV propulsion is expected. In this context, a special UAV concept is discussed which offers the possibility of a gas turbine propulsion while using its advantages in flight operations. For this concept,a required drive power of about 40 kW was estimated. However, a market survey shows that no turbo shaft engines are available in this power range. Therefore, an existing micro-jet engine was converted into a micro-turbo shaft engine, what resulted in the main dimensions of the intermediate turbine duct which are essential for the flow investigation. For this purpose, the relevant literature on small gas turbines is presented at first. Furthermore, the best-known findings concerning the flow and the optimisation of intermediate turbine ducts are presented. It is shown that most of the known diffuser literature refers to inlet Reynolds numbers, which are an order of magnitude higher (∼ 100000), than those of ducts within micro-gas turbines. In order to be able to better assess specific issues concerning the modelling of micro-gas turbines, a measurement was carried out on the institute’s gas turbine test stand in the forefield of the engine conversion. In this course, the existing measurement technology has been replaced by digital transducers and a data acquisition program has been developed. Subsequently, the thermodynamic cycle of the institute ́s gas turbine has been modelled using suitable simulation software. The model was then validated by comparing the measurement data with the simulation results. Based on this, the micro-gas turbine which was selected for the conversion has also been modelled. As a result, the thermodynamic properties at the gas generator turbine outlet were obtained. Flow velocities were calculated via mean line analysis in parallel. Finally, the main dimensions of the intermediate turbine duct were fixed by the subsequent pre dimensioning of the power turbine. The conditions at the gas generator outlet were then used as inlet boundary conditions for the numerical investigation of the intermediate turbine duct. Beside the Reynolds number, inlet turbulence and blockage, as well as mean rise angle have been varied during the simulations. Additionally, all investigations have been carried out at different duct lengths. As a result, pressure recovery as a function of duct length and optimum lengths for maximum pressure recovery were obtained. Through a two-dimensional, rotationally symmetric modelling, it was possible to investigate a large number of duct geometries. Finally the results were compared to the known diffuser literature. It turned out, that lower inlet Reynolds numbers have almost no influence on the location of the optimal geometry in the performance chart of intermediate turbine ducts, as long as the channel height ratio differs no tfrom 1,2. For deviating channel height ratios, diffuser performance charts which also result from this work, can be used for a pre selection of optimal intermediate turbine duct geometries. Following the investigations concerning straight-walled intermediate turbine ducts,a geometry optimisation was carried out using response surface-based optimisation. Thereby, the intermediate turbine duct could be shortened by 30 % without any loss in pressure recovery. Finally, the effect of the power turbine ́s guide vane row on the diffuser flow was numerically investigated using a porous medium approach.