Thermische Totaldruckverluste durch Wärmezufuhr in Drallströmungen

Die vorliegende Arbeit befasst sich primär mit der aerothermodynamischen Auslegung und Analyse einer leitschaufellosen Kleingasturbine mit rotierender Brennkammer, um abschließend bewerten zu können, ob das neuartige Konzept technisch umsetzbar ist und im Vergleich zum Stand der Technik eine Verbesserung darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Verdichter, die Brennkammer und die Turbine ausgelegt und aerodynamisch optimiert, wobei die Komponenten Verdichter und Turbine polytrope Wirkungsgrade im Bereich von 94-95 % erreichen. Bei der Auslegung der rotierenden Brennkammer mittels CFD-Simulationen wurden hohe Totaldruckverluste von etwa 27 % festgestellt, die auf die Entstehung thermischer Totaldruckverluste durch Wärmezufuhr bei Drallkomponente zurückgeführt und durch den in dieser Arbeit hergeleiteten 2-D Rayleighfall erklärt werden können. Bei der Verbrennung unter Drallkomponente in der rotierenden Brennkammer findet die Wärmezufuhr bei kleiner statischer Temperatur statt, was zu einer gesteigerten Entropieproduktion führt, welche dem thermischen Totaldruckverlust entspricht.

Anhand einer thermodynamischen Gesamtprozessbetrachtung wurde nachgewiesen, dass die gesamtrotierende Kleingasturbine lediglich einen thermischen Wirkungsgrad von 4,2 % erzielt. Konventionelle Gasturbinen in dieser Leistungsklasse erreichen thermische Wirkungsgrade von etwa 7 % und das vierfache Schub-zu-Gewichts-Verhältnis, weshalb die untersuchte Kleingasturbine keine Verbesserung zum Stand der Technik darstellt. Durch Separation der Verlustmechanismen wurde ersichtlich, dass 80 % der verlorenen Nutzleistung auf die Brennkammertotaldruckverlust zurückgeführt werden können, womit die hohen thermischen Totaldruckverluste der Brennkammer die Vorteile des Verdichters und der Turbine zunichtemachen.

Die aus der Betrachtung der rotierenden Brennkammer gewonnen Erkenntnisse bezüglich der thermischen Totaldruckverluste können auf alle Wärmeübergangsprobleme in Drallströmungen übertragen werden, weshalb in der vorliegenden Arbeit zusätzlich ausgewählte Anwendungen untersucht wurden, für die der Effekt der thermischen Totaldruckverluste von Interesse sein könnte. Neben der spezifischen Bewertung der leitschaufellosen Kleingasturbine werden durch die vorliegende Arbeit allgemeingültige Erkenntnisse zu gesamtrotierenden Antriebskonzepten, zur Verbrennung unter hoher Zentrifugalkraft und zur Entstehung thermischer Totaldruckverluste in Drallströmungen bereitgestellt.