Gasturbinen — Betriebsverhalten und Optimierung

ISBN-13: 9783540080329 / Niemiecki / Miękka / 1976 / 448 str.

H.G. Münzberg;J. Kurzke

Opis

Die technologische Entwicklung der 70er Jahre ist entscheidend durch zwei Faktoren gepriigt: Energieverknappung und -verteuerung einerseits und Um weltbelastung durch Schadstoffemission und Liirm andererseits. Alles deutet darauf hin, daf3 uns diese Probleme auch in den niichsten zwei Jahrzehnten stark beschiiftigen werden. Die Gasturbine ist in der Lage, bei deren Losung bedeutende Beitriige zu leisten. Allerdings muf3 in dem jeweiligen Anwen dungsbereich eine Optimierung vorgenommen werden. Das vorliegende Buch verfolgt das Ziel, Verfahren dafUr bereitzustellen und sie an Anwendun- beispielen (Problemkreisen) aus Fahrzeugbau, Marine Luftfahrt und Energietechnik zu demonstrieren. 1m Teil A wurde in einem Gesamtkommentar auf die erweiterte Giiltigkeit der einzelnen Ergebnisse eingegangen. Anhand einer Zusammenstellung iiber den heutigen und den in der Zukunft zu erwartenden Einsatz der Gasturbine wird auch verstiindlich, warum es gerade diese Problemkreise waren, die fUr Betriebsverhaltensstudien und Optimierungen im Buchteil E ausgesucht wurden. Die im Teil B zusammengestellten Basishypothesen versuchen, den Stand der Technik End e d e r 7 0 e r J a h r e zu charakteris- reno Geringe Abweichungen in Richtung besserer oder schlechterer Werte diirften die Optimierungsergebnisse gleichfalls nur geringfiigig beeinflussen."

Spis treści

A. Übersicht.- 1. Gesamtkommentar bezüglich der erweiterten Gültigkeit der Einzelergebnisse.- 2. Derzeitiger und zukünftiger Einsatz der Gasturbinen.- 2. 1 Erklärung der Zusammenstellung.- 2. 2 Kurzbeschreibung der Einsatzfälle.- B. Grundlegende mathematische Modelle.- 1. Zur Thermodynamik der Gasturbine.- 1. 1 Bestimmung der Daten von Luft und Verbrennungsgasen.- 1. 1. 1 Ausgangshypothesen.- 1.1. 2 Spezifische Wärmekapazität.- 1. 1. 3 Enthalpie.- 1.1.4 Entropiefunktion.- 1. 1. 5 Effektiver kalorischer Wert.- 1. 1. 6 Unterprogramme für die thermodynamischen Eigenschaften.- 1. 2 Kreisprozeßrechnungen mit dem halbidealen Gas.- 2. Teillastverhalten der Gasturbinen — Komponenten.- 2. 1 Verdichter.- 2.1.1 Verwendete Ähnlichkeitsbeziehungen.- 2.1.2 Methoden der Kennfelderstellung.- 2. 1.2. 1 Kennfeldaufnahme durch Versuch.- 2.1.2.2 Phänomene, die die Grenzen der Kennfeldberechnung erkennen lassen.- 2.1.2.3 Vorgehen bei Übernahme fremder Rechen programme ...- 2. 1. 3 Verwendete Kennfelder.- 2. 2 Brennkammer.- 2. 2. 1 Ausbrand.- 2.2.1. 1 Ausbrandparameter.- 2. 2. 1. 2 Korrelation von Ausbrand und Belastungskriterium.- 2. 2. 1. 3 Abweichungen von der einfachen Korrelation.- 2. 2. 2 Druckverlust.- 2. 2. 2. 1 Physikalische Bedingungen.- 2. 2. 2. 2 Verhalten bei unveränderlicher Geometrie.- 2. 2. 2. 3 Verhalten bei Verstellgeometrie.- 2. 3 Turbine.- 2. 3. 1 Verwendete Ähnlichkeitsbeziehungen.- 2. 3. 2 Methoden der Kennfelderstellung.- 2. 3. 3 Erfassung der Verluste bei Hohlschaufelkühlung.- 2. 3. 4 Verwendete Kennfelder.- 2. 4 Abströmkanal und Düse.- 2. 4. 1 Verlustbilanz.- 2. 4. 2 Strahlkontraktion.- 2. 4. 3 Teillastrechnung.- 3. Umrechnung auf andere Abmessungen..- 3. 1 Ausgangssituation.- 3. 2 Voraussetzungen zur Erstellung möglichst allgemein verwendbarer Korrekturen.- 3. 3 Umrechnungsformeln.- 4. Wärmetauscher.- 4. 1 Rekuperator.- 4. 1. 1 Bauarten.- 4. 1. 1. 1 Platten- und Rohrbündelwärmetauscher.- 4.1.1.2 Gleich-, Kreuz- und Gegenstrom.- 4. 1. 2 Charakteristische Daten und Zusammenhänge für Plattenrekuperatoren.- 4. 1.2. 1 Plattenrekuperatoren mit Flächendichte bis zu 3000 m2/m3.- 4. 1. 2. 2 Plattenrekuperatoren mit Flächendichten von 5000 m2/m3.- 4. 1. 2. 3 SUBROUTINE für Rekuperatorberechnung.- 4. 2 Regenerator.- 4.2.1 Allgemeines.- 4. 2. 2 Regeneratoren aus Keramik.- 4.2.2.1 Charakteristische Daten und Zusammenhänge.- 4.2.2.2 SUBROUTINE für Regeneratorberechnung.- 4. 2. 2. 3 Leckluft-Abschätzung.- 4. 2. 2. 4 Antriebsleistung.- 5. Umweltschutz.- 5. 1 Lärmemission.- 5. 1. 1 Flugtechnik.- 5. 1. 2 Stationäre und Fahrzeugtechnik.- 5. 2 Schadstoffemission.- 5. 2. 1 Relative Belastung durch Gasturbinen.- 5. 2. 2 Lastabhängigkeit der Emissionsindizes.- 5. 2. 3 Maßnahmen zur Verminderung von CO und NOx.- 5. 2. 3. 1 Kohlenmonoxid.- 5. 2. 3. 2 Stickoxide.- 5. 2. 4 Auswirkungen auf die Modellrechnungen.- C. Berechnung des Betriebsverhaltens von kompletten Gasturbinen-Anlagen.- 1. Grundlegende Bemerkungen.- 1. 1 Komplexität des Systems.- 1. 2 Instationäres Betriebsverhalten.- 1. 3 Triebwerksspezifische Probleme.- 2. Aufbereitung der Komponenten-Kennfelder.- 2. 1 Einlesen und Kontrolle der Daten.- 2. 2 „Ablesen“ aus Kennfeldern.- 2. 2. 1 Verdichterkennfeld.- 2. 2. 2 Turbinenkennfeld.- 2. 2. 3 Verstellturbinenkennfeld.- 3. Newton-Raphson-SUBROUTINE für die Berechnung des Teillast-verhaltens von Gasturbinen verschiedener Bauart.- 3. 1 Prinzipieller Lösungsweg.- 3. 2 Praktische Anwendung.- 3. 2. 1 Besetzung des COMMON-Blockes /NEWTON/.- 3. 2. 2 Flußdiagramm für den Aufruf von NEWRAP.- 3. 3 Beschreibung des internen Ablaufs der SUBROUTINE NEWRAP.- 3. 3. 1 Besetzung der Fehleränderungsmatrix.- 3. 3. 2 Iterative Lösung.- 4. Anwendungsbeispiele für die Newton-Raphson-SUBROUTINE.- 4. 1 Einwellen-Einstrom-Turboluftstrahltriebwerk.- 4. 1. 1 Anwendung der Typkennfelder.- 4. 1. 2 Teillastrechnung.- 4. 1. 2. 1 Verdichter.- 4. 1. 2. 2 Brennkammer.- 4. 1. 2. 3 Turbine.- 4. 1. 2. 4 Düse.- 4. 1. 2. 5 Maßnahmen an Kennfeldgrenzen.- 4. 2 Einwellen-Gasgenerator mit Freifahrturbine und Wärme- tauscher.- 4. 2. 1 Auslegungsrechnung.- 4. 2. 2 Teillastrechnung.- 4. 2. 2. 1 Unverstellbare Nutzleistungsturbine.- 4. 2. 2. 2 Verstellbare Nutzleistungsturbine.- 4. 3 Zweiwellen-Gasgenerator mit Freifahrturbine.- 4. 4 Zweiwellen-Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk.- 4. 4. 1 Variablen und Fehler.- 4. 4. 2 Korrekturmaßnahmen.- 5. Berechnung von instationären Vorgängen.- 5. 1 Allgemeines.- 5. 2 Beschleunigungsrechnungen im Projektstadium.- 5. 2. 1 Berechnung bei vorgegebener Fahrlinie im Verdichter- kennfeld.- 5. 2. 2 Berechnung bei vorgegebener Brennkamm ertemperatur.- D. Optimierungsverfahren.- 1. Allgemeines.- 1. 1 Parameterstudien und Extremwert-Suchverfahren.- 1. 2 Entwurf mathematischer Modelle.- 1. 2. 1 Informationsgehalt 2.- 1. 2. 2 Zielfunktion.- 1. 2. 3 Nebenbedingungen 2.- 1. 3 Einfluß des mathematischen Modells auf die Auswahl von Suchverfahren.- 2. Einige einfache Verfahren.- 2. 1 Vollständiges oder zufälliges Absuchen.- 2. 2 Suche mit dem „Goldenen Schnitt“.- 2. 2. 1 Anwendung für eine einzelne Optimierungsvariable.- 2. 2. 2 Anwendung bei mehreren Optimierungsvariablen.- 2. 2. 2. 1 Allgemeines.- 2. 2. 2. 2 Beschreibung eines Optimierungsprogrammes.- 2. 3 Gradientenverfahren.- 2. 3. 1 Minimumsuche in Gradientenrichtung.- 2. 3. 2 Ein Verfahren mit zwei Zielfunktionen.- 2. 3. 2. 1 Grundüberlegung.- 2. 3. 2. 2 Prinzipieller Ablauf.- 2. 4 Newton-Verfahren.- 2. 4. 1 Einführung.- 2. 4. 2 Programmbeschreibung.- E. Optimierungsbeispiele 2.- 1. Kraftfahrzeug-Gasturbinen.- 1. 1 Chancen der Kfz-Gasturbine 2.- 1. 1. 1 Ausgangs Situation.- 1. 1. 2 Auslegungsdaten neuerer Versuchstriebwerke 2.- 1. 1. 3 Voraussetzungen für den Durchbruch der Gasturbine im Kfz-Bereich.- 1. 2 Massen- und Volumenmodell für eine Kfz-Gasturbine mit Doppel-Scheiben-Regenerator.- 1. 2. 1 Teilmodelle.- 1. 2. 1. 1 Turbomaschinen.- 1. 2. 1. 2 Brennkammer.- 1. 2. 1. 3 Wärmetauscher.- 1. 2. 2 Gesamtmodell.- 1. 2. 2. 1 Anordnung der Komponenten.- 1. 2. 2. 2 Volumen.- 1. 2. 2. 3 Masse.- 1. 3 Optimierung von Kfz-Gasturbinen mit Regenerator.- 1. 3. 1 Aufgabenstellung.- 1. 3. 2 Ergebnisse für unverstellbare Nutzleistungsturbinen.- 1. 3. 2. 1 Ergebnisse für die Optimierungsvariablen.- 1. 3. 2. 2 Weitere Ergebnisse.- 1. 3. 3 Ergebnisse für verstellbare Nutzleistungsturbinen.- 1.3.3.1 Ergebnisse für „steiles“ Verdichterkennfeld.- 1.3.3.2 Ergebnisse für „flaches“ Verdichterkennfeld.- 1. 3. 4 Beschleunigungszeiten.- 2. Gasturbinen als Schiffsantrieb.- 2. 1 Allgemeines.- 2. 1. 1 Gründe, die für die Verwendung einer Gasturbine sprechen.- 2. 1. 2 Punkte, die bei der Verwendung einer Gasturbine beachtet werden müssen.- 2. 2 Aufgabenstellung.- 2. 3 Mathematische Modelle und Optimierung der Marine-Gasturbinen.- 2. 3. 1 Dreiwellen-Marineanlage.- 2. 3. 1. 1 Erste Variante des mathematischen Modells.- 2. 3. 1. 2 Weiterentwicklung des Modells an Hand von Optimierungsergebnissen.- 2. 3. 1. 3 Vergleich der optimalen Gasturbinen.- 2. 3. 1. 4 Trendkurven für nicht optimale Variablenwahl.- 2. 3. 2 Marineanlage mit Wärmetauscher.- 2. 3. 2. 1 Mathematisches Modell.- 2. 3. 2. 2 Optimierungsergebnisse.- 3. Fluggasturbine - Strahltriebwerk.- 3. 1 Einleitung.- 3. 1. 1 Vorbemerkungen.- 3. 1. 2 Forderungen an STOL-Flugzeuge.- 3. 1. 3 Aufgabenstellung.- 3. 2 Mathematische Modelle.- 3. 2. 1 Flugzeug.- 3.2.2 Marschtriebwerk.- 3. 2. 3 Lärm.- 3. 2. 3. 1 Fanlärm.- 3. 2. 3. 2 Lärmdämpfung..- 3. 2. 3. 3 Strahllärm.- 3. 2. 3. 4 Sonstige Lärmquellen.- 3. 3 Optimierung der Marschtriebwerke.- 3. 3. 1 Randbedingungen und Zielfunktionen.- 3. 3. 2 Ergebnisse.- 4. Gasturbine in der Energietechnik.- 4. 1 Ortsveränderliche und kompakte Anlagen.- 4. 1. 1 Einsatzfälle für transportable Kraftwerke.- 4. 1. 2 Anwendung von kompakten Anlagen.- 4. 1. 3 Gasturbinen mit maximaler Leistung pro Volumen.- 4. 1. 3. 1 Auslegungen mit niedrigem Wirkungsgradniveau.- 4. 1. 3. 2 Auslegungen mit hohem Wirkungsgradniveau.- 4. 1. 3. 3 Abschließende Bemerkungen.- 4. 2 Stationäre Gasturbinenanlagen.- 4. 2. 1 Aufgabenstellung.- 4. 2. 2 Ausgangshypothesen.- 4. 2. 3 Ergebnisse.- Formelzeichen, Indizes, Bemerkungen.