Strahltriebwerke
Fragen zur VL von prof Vogeler an der TU Dresden
Fragen zur VL von prof Vogeler an der TU Dresden
Fichier Détails
| Cartes-fiches | 87 |
|---|---|
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Technique |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 08.02.2020 / 16.02.2020 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/box/20200208_strahltriebwerke
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| Intégrer |
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Welche Parameter bestimmen den Druck hinter dem Verdichter?
Zielt auf red. Masssenstrom bei gesperrtem A4 ab
Anzahl Verdichterstufen und deren Verdichtung
Eintrittsgrößen (druck, Temperatur etc)
Verluste
Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf der spez. Nutzleistung über dem Druckverhältnis für
unterschiedliche Tt4.
Erklären Sie diesen Verlauf
Je höher Verdichtung desto effizienter die Verbrennung, mehr Brennstoff nutzbar -->
höheres Tt4 aber höhere Verdichtung benötogt mehr Turbinenarbeit, Optimum abh von Tt4 und nach rechts oben verschoben
Erklären Sie den Unterschied zwischen dem thermischen Wirkungsgrad und dem
Vortriebswirkungsgrad eines Strahltriebwerkes
eta_th=a_Nutz/(beta*Hu) == Strömungsleitung/ eingesetzte chem Leistung --> Bewertung der TW Technik
eta_V=(1+lamba*spez Schub*c0)/(0,5*(1+beta)c9^2+lambda*c19)-1+lambda*c0^2) = Vortriebsleistung
Erläutern Sie den Begriff aerodynamische Kopplung bei einem Mehrwellentriebwerk.
Zusammenhang der verschiedenen Wellen über Verd/Turbine
--> Luft vom Verdichter muss in BK verbrannt und in Turbine verarbeitet werde
--> Turbine muss verdichter betreiben
--> engster (gesperrter) Querschnitt wichtig
Was verstehen Sie unter der „Kühlschen Grade“ im Verdichterkennfeld entweder der HD- oder der
ND- Welle?
Welchen Zusammenhang beschreibt sie für die Turbogruppe der jeweiligen Welle?
Kühlsche Gerade = Drosselkurven
Linien im Verdichterkennfeld: Wurzel (Tt4/tt2) = const, gibt unendlich viele, beschreiben lin. Zusammenahng zwischen PI-V und red m
Aus A4* und Konti folgt m Red konst--> Gerade. Turbine bestimmt also Verdichterdruckverhältnis.
Welche weitere Gleichgewichtsbeziehung führt von der Kühlschen Grade im Kennfeld eines
Verdichters zur Betriebslinie der Turbogruppe in diesem Kennfeld?
--> Leistungsgleichgewicht
Erläutern Sie den physikalischen Inhalt der Turbomaschinengleichung nach Euler
a=u2*cu2-u1*cu1
Arbeit= Geschwindigkeitsänderung in Umfangsrichtung
-> nur d_cu und d_u haben Einfluss auf Arbeit an Stufe = Rotation
rechts: vereinfachtes rad GGW = Fliehkraftienfluss--> Druckschichtung--Schaufeldesign in rad. Richtung
links: Ansatz von Carmichael & Lewis n zwischen -1 und 1 -_>A,B--> Geometrie Fstkörper+ Potentialwirbel überlagert
Zeichnen Sie ein Geschwindigkeitsdreieck für ein Verdichter- / Turbinen Laufrad
Turbine stärker gewölbt und Turbine hat LE-->LA-->LE
w ist an und Abströmwinkel
a=cp d_t=u2*cu2-u1*cu1 beachten
Welche Einschränkungen beinhaltet das vereinfachte radiale Gleichgewicht?
keine Änderung über den Radius von
ht(r) =const--> Arbeit
ds=0--> Verluste nicht vorhanden
dcx/dr=0 -->Abströmwinkel
Wie sieht der radiale Verlauf der Komponente cax aus, wenn cu einer reinen Potentialwirbelverteilung
folgt ?
cu=A*r^n+-B/r , wenn n=0 weil Potentialwirbel --> cax=const
Skizzieren Sie den Entwurf einer Verdichterschaufel über der Höhe mit Hilfe des vereinfachten
radialen Gleichgewichts und einer Drallverteilung nach dem Potentialwirbelgesetz.
Schritte entlang Höhe=Radius
Lösen des ver. rad GGW--> cu, cax, und wi--> u aus Leistung und bek. Mittelschnitt
c_u=A*r^n
--> Blechwinkel (An- und Abströmung) --> typ Design für Schaufel, Kühlung und mech. Eigenschaften beachten
Welche Belastungskriterien sind Ihnen für die Verdichterauslegung bekannt?
Welche physikalische Bedeutung haben diese?
De_Haller= w2/w1 >= 0,7 Verzögerung der Strömung--> Ablösegefahr an Gehäuse/Nabe
Belastungszahl = c_A*s/t = 2 D_wu/w0 <=1,5...2,5 . Ablösung am Profil
Lieblein_Faktor D=w_max/m1-w2/w1 <0,45...0,6 Ablösegefahr an Seitenwand und Profil (Kombination)
Auf welchem Weg bestimmen Sie die aerodynamischen Schaufelkräfte in Umfangs- und in
Axialrichtung?
F_U=m*cu2-m*cu1
F_ax=m*cax2-m*cax1+A2*beta2-A1*beta1+(A1-A2)*0,5(beta2+beta1)
(A1-A2)*0,5(beta2+beta1)= Verjüngung
Formeln kommen aus Impulsbilanz
Aus welchem Grund werden im Axialverdichter verstellbare Leitreihen eingesetzt?
verschiedene Betriebspunkte benötigen unterschieldiche Anströmung der Verdichterschaufeln bzw ben. gleiche Geschw. dreiecke und somit unterschieldiche Absolutwinkel
Außerdem aerodynamische Kopplung beachten
Wie legen Sie für ein gegebenes Gesamtdruckverhältnis die Stufenzahl des Verdichters fest?
Pi_ges=(Pi_i)^n
Pi_i ist hinten etwas kleiner als vorne wegen Toleranzen und Temperaturen aber im Mittel mit Repetierstufe gut berechenbar
Pi_i ist abh von Aerodynamik und Materialbelastbarkeit --> Technologietreiber
Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen dem gewünschten Druckverhältnis einer
Verdichterstufe und dem Geschwindigkeitsdreieck, welches in der Lage ist, dieses herzustellen.
d_p=d_ht=a=u2*cu2-u1*cu1
bei geg. (konst.) u ist cu abh. von geschwindigkeitsdreieck
Zeichnen Sie die typischen Geschwindigkeitsdreiecke für eine Verdichterlaufschaufel.
Wie bekommen Sie einen ersten Eindruck, wie Lauf- und Leitschaufel aussehen könnten?
W ist relevant für Strömung und gibt An- und Abströmwinkel vor
Verdichterschaufel eher dünn und schwack gekrümmt weil gegen die Strömung arbeiten und keine Kühllung
Skizzierten Sie den grundsätzlichen Aufbau einer GT- Brennkammer. Erläutern Sie die Funktion der
einzelnen Abschnitte.
Verlangsamung der Luft und Aufteilung
Kernstrom fließt an Düse vorbei und nimmt fein zerstäubten Brennstoff auf--> dieser Verdampft--> Zündung
Großteil der Luft wird nach und nach beigemischt um Ausbrand zu erhöhen und zu kühlen
Welche Brennkammertypen sind Ihnen bekannt?
Rohr- , Ring und Ringrohr Brennkammer
Wie bestimmen Sie den für Tt4 notwendigen spez. Brennstoffmassenstrom bei gegebenen
Massenströmen m2 , m3 , den Temperaturen Tt3 und Tt4 und bekanntem Hu?
m_BS=Mges*(beta)
Beta=(cp4*(T4-Tr)-cp3*(tt3-Tr))/(cp_Br*(Tt_Br-Tr)+Hu*eta_Bk-cp_4(tt4-T0))
Welches Brennstoff- Luftverhältnis ist relevant bei der Bestimmung von cp für das
Verbrennungsgas?
Das lokale, also ohne Kühlluft, bzw immer mit der aktuell am Prozess beteiligten Luft+Kühlluft+m_BS
Welche Bedeutung haben die beiden Brennkammer Kennwerte OTDF und RTDF ?
ODTF= Overall Temperature Distribution Faktor= Verteilung der Temperatur über Umfang, relevant für Leitreihen
RDTF= Radial Temperature Distribution Faktor = Verteilung über Radius, Relevant für Laufreihen
Über welche Parameter stellen Sie in der Brennkammer möglichst vollständige Verbrennung sicher?
Luftanteil--> möglichst mager verbrennen aber Zündung garantieren
Nennen sie die wesentlichen Gründe für den Druckverlust in der Brennkammer.
Geschidigkeitseinfluss--> Reibung viskos
Strahlung
Turbulenz
Entropieerhöhung durch therm Verluste
Warum sollte die Eintrittsmachzahl in die BK möglichst tief sein?Da
Damit Temperaturerhöhung möglichst groß aber noch nicht oder grade so gesperrt
Wie sieht qualitativ der Zusammenhang zwischen den Emissionen UHC, NOx, CO und der
Verbrennungstemperatur / dem Luftüberschuss aus?
Je magerer die Verbrennung desto mehr CO (krasser) und UCH
Je fetter die Verbrennug desto mehr Rauch und NOx
Optimum bei magerer Verbrennung ca 0,4... 0,6
Was verstehen Sie unter dem Äquivalenzverhältnis? + 3 Diagramme
Massenverhältnis Luft zu Brennstoff
Jeweils parabeln bei C unten offen, bei p und Tt3 oben offen
Erklären Sie bei Unterschallverbrennung den Begriff thermisches Blockieren.
Warum muss dieses Phänomen vermieden werden.
Wenn Geschindigkeit auf M=1 steigt weil Delta T zu groß sperrt die BK
Rückwirkung auf BK Eintritt --> Druck steigt an somit Pt3 vorgegeben und nicht durch Verdichter bestimmt
In welcher Form können die meisten konvektiven W.rmeübergangsvorg.nge als Korrelation
angegeben werden?
d_T*Wärmeleitwert
Wie lautet die Definition der Nu- Zahl? Welchen physikalischen Zusammenhang beschreibt sie?
Beschreibt Zusammenhang bzw. Verlgiech Wärmeübergang in Fluid mit Wärmeleitfähigkeit
Nu=alpah*L/lambda mit alpha=WÜ Koeffizient, L=char Länge, lambda =Wärmeleitfähigkeit des Fluids
oder Nu=0,664*Re^1/2*Pr^1/3
je höher Nu, desto effektiver die Kühlung bei gegebenem FLuid,
Ähnlichkeitskennzahl
Warum werden bei hohen Gastemperaturen die Turbinenschaufeln mit einem großen Radius für die
Eintrittskanten ausgelegt?
Weil stark thermisch belastet--> Kühlkanal braucht Platz und und Wärmeübergang besser bei großer Fläche
Erläutern Sie die folgende Gleichung für gekühlte Axilturbinenschaufeln
epsilon=(m* * eta_c)/(1+m* * eta_c)
+ def der Paramter
epsilon= Kühleffektivität, m* = Kühlluftmassenstrom, eta_c=Kühlluftwirkungsgrad
epsilon=(T_HG-T_m)/(T_HG-T_Kl1), d_T notwendig ohne Film/dT_max
m*=m_kL*cp_KL/(alpa*A)=T_HG-T_m/dT_KL, Wäremkapazität/gek. Fläche
eta_c=dT_KL/T_m-T_KL1 entspricht q_ab/q_max --> m* * eta_c = Wirkungsgrad d WÜ/max mögliche Kühlung
Welche Technologien kennen Sie, um bei hohen Gastemperaturen den Wärmestrom aus dem Heißgas
in die Schaufelwand zu begrenzen?
TBC und Filmkühlung
(+ Effektive Kanalkühlung)
Nennen und beschreiben Sie die Technologien, um ein effektives konvektives Kühlsystem zu
verwirklichen.
eta_c möglichst hoch --> =dT_KL/dT_m zu KL1 --> möglicht kalte Kühlluft (Achtung Wärmespannungen) und möglicht viel Wärme in Kühlluft aufnehmen /T_KL2 hoch)
dort Kühlen wo sinnvoll, nicht zu viel Überdruck, effizient leiten
Instrumente: Prallkühlung (beste alpha, gezielt), Turbulenzgeneratoren zum durchmischen, Multi Passage, komplexe Innengeometrien
Wie ändert sich die Strömung und der W.rmeübergang in einem rechteckigen Kanal, wenn die
Seitenwände innen einmal mit zur Strömung senkrechten Rippen und ein anderes mal mit zur
Strömung schräg angeordneten Rippen versehen werden?
Erläutern Sie Ihre Antwort mit einer Skizze.
Rippen verwirbeln Strömung, Anordnung beeinflusst Wirbelrichtung und Anzahl
generell Durch Wirbel an Berührungspunkten besserer WÜ und Strömung mal schneller mal langsamer --> gezielte WÜ Punkte
senkrecht: größere Grenzschicht, Wirbel entlang Strömung
schräg: 2 Wirbel, engegengesetzte Drehung
V: 4 Wirbel drehen nach innen (V in Richtung d Strömung) oder außen (V gegen Strömungsrichtung)
Richtung folgt schräge der Wand
Erläutern Sie die Funktionsweise der Filmkühlung.
Worauf ist zu achten?
Ausströhmende Luft kühlt Schaufeloberseite, da kein HG zu Material vordingt
Löcher groß genug (Zusetzen) und nah genug beieinander, passender Druck
Erklären Sie, warum mit dem Einsatz von Filmkühlung Kühlwirkungsgrade größer als 1 erreicht
werden können.
Def d. Gleichung --> Schaufel sieht HG Temperatur nicht --> dT_KL>T_m-T_KL1
eta_c=dT_KL/T_m-T_KL1
bzw Formel nur für konvektive Kühlung ausgelegt
Erklären Sie, warum mit dem Einsatz einer Wärmedämmschicht Kühlwirkungsgrade größer als 1
erreicht werden können.
TBC hat extrem schlechten WÜ--> Tm geht aber von Kernmaterial in Kühllungsgleichung ein
Erläutern Sie den Aufbau und die Funktion von Wärmedämmschichten.
Geben Sie Vor- und Nachteile an.
Dünne Schicht aus temperaturbeständigem aber spröden Material mit sehr schlechter WL--> Schaufel nimmt belastungen auf, TBC Wärme
Vorteile: tiefere Metalltemperaturen, geringerer Kühlluftbedarf, eringere Wärmespannungen
Nachteile: teuer, aufwändig, kann abnutzen--> sofort Totalschaden
