Institut für Energietechnik und Thermodynamik
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Überleitung eines Mikro-Strahltriebwerkes in ein Wellenleistungstriebwerk im Bereich 20 bis 40kW

Die Anwendung von Drohnen als unbemannte Luftfahrzeuge für den privaten sowie kommerziellen Gebrauch nimmt ständig an Bedeutung zu. Für den Antrieb einer Drohne stehen verschiedene Technologien, mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen zur Verfügung: Elektromotor, Verbrennungsmotor, Gasturbine. Zumindest beim Verlauf des Drehmomentes über der Drehzahl sowie bei den Vibrationen bietet die Gasturbine als Antrieb wesentliche Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor. Darüber hinaus wirkt sich das vergleichsweise hohe Gewicht von Elektromotoren und Batterien in jeder Luftfahrtanwendung negativ aus. Eine grobe Sondierung des Marktes für kleine Gasturbinen ergab allerdings, dass im Leistungsbereich von 20 bis 40 kW keine Wellenleistungstriebwerke verfügbar sind, Strahltriebwerke für höhere Leistungen jedoch erhältlich sind. Im Rahmen des von FFG geförderten Sondierungsprojektes "JET2SHAFT" wurde im Förderprogramm TAKE OFF deshalb ein bestehendes Strahltriebwerk in ein Wellenleistungstriebwerk für den geforderten Leistungsbereich übergeleitet. Das Projekt umfasst eine Kreisprozessrechnung für die Ermittlung der Randbedingungen der benötigten Nutzleistungsturbine im geforderten Leistungsbereich, sowie eine analytische Vorauslegung der einstufigen Axialturbine. Weiters wurden die Profilformen der Lauf- und Leitreihe sowie die Schaufelanzahlen hinsichtlich Verlustminimierung mittels CFD-Unterstützung optimiert. Die analytische Vorauslegung beinhaltet ebenso eine strukturmechanische sowie strukturdynamische Berechnung der Nutzleistungsturbine, deren Ergebnisse mit einer numerischen Modalanalyse und einer statischen Festigkeitsrechnung mittels finiten Elementen (FEM) verglichen wurden.

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Kontakt:

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard WILLINGER
Tel.: +43-1-58801-302403
reinhard.willinger@tuwien.ac.at

Passive Einblasung in axialen Turbinenstufen

Aus Gründen der Betriebssicherheit ist zwischen den frei endenden Laufschaufeln und dem Gehäuse einer Turbomaschine eine gewisse Mindestspaltweite erforderlich. Typische Mindestspaltweiten liegen im Bereich von 0,1 bis 0,2% des Durchmessers der Beschaufelung. Durch diesen Radialspalt entstehen beträchtliche Verluste, die bei einer axialen Turbine bis zu einem Drittel der Gesamtverluste betragen können und entsprechend zu einer Absenkung des Turbinenwirkungsgrads führen. Die Verringerung der Radialspaltverluste stellt daher ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung und Auslegung von axialen Dampf- und Gasturbinen dar.

Die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite an einer Turbinenschaufel führt dazu, dass Arbeitsmittel durch den Radialspalt strömt. Die unterschiedlichen Richtungen von Spalt- und Hauptströmung im Schaufelkanal verursachen den Spaltwirbel. Die dadurch entstehenden Verluste werden als Radialspaltverluste bezeichnet und haben zwei Hauptursachen:

  • Die Entropieerzeugung bei der Durchströmung des Radialspaltes
  • Der Mischungsverlust des Spaltwirbels

Üblicherweise werden die Spaltverluste durch den zweiten Anteil dominiert, der proportional der kinetischen Energie der Spaltströmung ist. Methoden zur Verringerung der Radialspaltverluste zielen daher auf eine Verringerung der kinetischen Energie der Spaltströmung bzw. des Spaltmassenstromes ab. Im Rahmen dieses Projektes wird eine neuartige Methode zur Verringerung der Radialspaltverluste in Axialturbinen untersucht: passive Einblasung.

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Adaptive Turbinenstufe

Eine axiale Turbinenstufe besteht aus einer Leitreihe und einer nachfolgenden Laufreihe. Zur Energieumsetzung wird das Strömungsmedium in der Leitreihe in Umfangsrichtung umgelenkt und beschleunigt, in der anschließenden Laufreihe erfolgt eine Umlenkung zur Achse sowie eine Verzögerung der Strömung. Üblicherweise sind die Geometrien von Leit- und Laufreihe fest. In besonderen Fällen ist es von Interesse, die Geometrie einer Schaufelreihe, vornehmlich der Leitreihe, verstellbar auszuführen. Es bieten sich dazu schwenkbare Klappen am Austritt, verdrehbare Schaufeln oder in Umfangsrichtung geteilte Schaufeln an. Letztere Anordnung wird als Drehschieber bezeichnet, wobei der vordere Teil (Drehring) gegenüber dem hinteren feststehenden Teil (Festring) verdrehbar ausgeführt ist. Abhängig vom Schliessgrad übernimmt der Drehschieber neben der Umlenkung der Strömung auch die Funktion einer Drosselung durch Querschnittsverringerung.

Mögliche Anwendungen von Drehschiebern sind die Entnahmeregelung bei Dampfturbinen für Heiz- oder industrielle Zwecke sowie als adaptive Stufe in Turboexpandern für Luftspeicherturbinenanlagen.

Im Rahmen verschiedener Projekt befasst sich der Forschungsbereich für Strömungsmaschinen mit dem strömunsgtechnischen Verhalten von Drehschiebern für adaptive Turbinenstufen. Von besonderem Interesse ist dabei der Einfluss des Schliessgrades auf die Umlenk- und Verlusteigenschaften des Gitters. Dabei kommen sowohl Verfahren der numerischen Strömungsimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) als auch experimentelle Methoden im Gitterwindkanal zur Anwendung.       

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Fortschrittliche Wellendichtungen für Turbomaschinen

Zur Abdichtung von rotierenden und stillstehenden Teilen werden bei thermischen Turbomaschinen üblicherweise Labyrinthdichtungen eingesetzt. Das Ziel ist eine möglichst geringe Leckage bei hoher Betriebssicherheit der Dichtung. Die Verringerung der Leckage lässt sich bei einer Labyrinthdichtung im Wesentlichen durch eine Reduktion der Radialspaltweite sowie einer Erhöhung der Anzahl der Dichtspitzen erreichen. Beide Maßnahmen stoßen in einem Flugtriebwerk an die Grenzen der Machbarkeit. Einerseits geht die Verringerung der Radialspaltweite auf Kosten der Betriebssicherheit und andererseits sind hochwertige Volllabyrinthe mit einer großen Anzahl an Dichtspitzen aus Gründen der Montagemöglichkeiten in einem Gehäuse ohne horizontale Teilfuge nicht einsetzbar. Aus diesem Grund wurde für die Anwendung in Flugtriebwerken Ende der 1980er Jahre ein alternatives Konzept in Form der sog. Bürstendichtungen („Brush Seals“) entwickelt. Bürstendichtungen sind mittlerweile erfolgreich im Einsatz und werden seit etwa 2005 als sog. Lamellendichtungen („Leaf Seals“) für höhere Druckdifferenzen weiterentwickelt.

Der Forschungsbereich beschäftigt sich mit der Untersuchung der Strömung in Labyrinthdichtungen, Bürstendichtungen und Lamellendichtungen. Dazu werden analytische und numerische Verfahren eingesetzt, für die experimentelle Untersuchung von Labyrinthdichtungen steht ein entsprechender Prüfstand zur Verfügung.

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Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard WILLINGER
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