LS Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf grundlegende Unterschiede im Brennverfahren von Benzin- und Erdgasmotoren eingegangen. Außerdem werden verschiedene Maßnahmen dargestellt, die bei einer konsequenten Auslegung des Brennverfahrens auf den Kraftstoff Erdgas zu deutlichen Wirkungsgradvorteilen führen und somit den Nachteil der geringen Speicherdichte von Erdgas (Reichweite von Erdgasfahrzeugen) verringert.
Die vorliegende Arbeit soll dem interessierten Ingenieur und Studenten des Maschinenbaus einen Überblick über die Nutzung gasförmiger Kraftstoffe für den Antrieb von Kraftfahrzeugen geben. Auf die Grundlagen der Thermodynamik und der motorischen Verbrennung wird dort näher eingegangen, wo es für das Verständnis der Zusammenhänge unabdingbar ist. Hier sei auch auf die einschlägige Literatur verwiesen. Ziel ist es zu zeigen, inwiefern sich die Brennverfahren für einen kleinvolumigen Pkw-Motor von den Großgasmotoren hinsichtlich des Nutzungsprofils unterscheiden und welche Wege zur Wirkungsgradsteigerung möglich sind.
Powerful, smooth, compact and light combined with multi-fuel capability are the main features of the rotary engine. The Wankel engine superb power-to-weight ratio and reliability make it not only suitable for automobile application, but also particularly well suited to aircraft engine use and it can replace the reciprocating piston engine in many areas of use such as sport cars, motorcycle, boats, and small power generation units etc. Since the physics that taking place inside Wankel engine combustion chambers are exceedingly complex, a numerical CFD studies were obtained to understand the unsteady, multidimensional fluid flow and fuel-air mixing inside the combustion chamber of the Wankel rotary engine during the intake and compression cycles. The effects of the engine combustion chamber design and operating parameters on fluid flow and fuel-air mixture formation were investigated: engine velocity, direction of fuel injection into the combustion chamber, with emphasize on diesel and hydrogen injection fuels. The injector nozzle size, injected fuel velocity, the position of injector and angle of injection were also investigated.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Zündungseigenschaften einer neuartigen Brennkammer untersucht, wobei auch das Magerverlöschverhalten mit in Betracht gezogen wurde. Die Untersuchungen der Zündbarkeit basieren auf den Ergebnissen numerischer Simulationen und anschließenden Auswertungen in einer Zündsubroutine. Die Ergebnisse der Strömungssimulationen sind mit PIV-Messungen experimentell validiert worden, wobei die simulierten Sprayformen durch die ermittelten Mie-Aufnahmen bestätigt wurden. Hochgeschwindigkeitskamera - Aufnahmen wurden zur Validierung der berechneten minimalen Zündenergien verwendet. Die vorgenommenen Korrelationen zwischen den kalkulierten Werten der minimalen Zündenergie sowie den gemessenen AFR-Zündungsdaten eröffnen einen Weg zur Bestimmung der zu erwartenden zündbaren Gemischkonzentrationen in realen Brennkammern aufgrund der simulierten minimalen Zündenergie. Im Rahmen der Arbeit wurde weiterhin eine Parametergewichtung durchgeführt, welche als Grundlage bei der Optimierung ähnlicher Brennkammern dienen kann.
Bei der Auslegung moderner Turbinenleitstufen wird zur Verringerung der Sekundärströmung und der hierdurch verbesserten Rotorbeaufschlagung eine dreidimensionale und nicht-axialsymmetrische Konturierung der Leitstufenplattform im Passagenbereich erwogen. Ziel ist hierbei die Verringerung des wandnahen Querdruckgradienten in der Passage, wodurch die Ausbildung des Passagenwirbels vermindert werden soll. Die Auslegung der Plattformkontur wird hier nicht behandelt, obgleich die Grundzüge derselben exemplarisch vorgestellt werden. Da die Passagenströmung von sehr komplexer und transitioneller Natur ist, ist eine experimentelle Bestimmung der geforderten Eigenschaften und insbesondere eine Bestimmung der Änderung der Temperaturbelastung der Plattform durch die Konturierung erforderlich. Die experimentelle Bestimmung und Charakterisierung dieser durch die Konturierung bedingten Änderungen stellt den Kernpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Zu diesem Zweck wurden an einem Niedergeschwindigkeitswindkanal Versuche unter Einhaltung der Reynoldsschen Ähnlichkeit und der Wärme-Stoffanalogie durchgeführt, deren Ergebnisse umfassend dargelegt werden. Daneben wird die hierfür teilweise neu entwickelte Messtechnik vorgestellt und die Ergebnisse numerischer Berechnungen präsentiert. Die wesentlichen Merkmale der durch die Konturierung bewirkten Änderungen werden zusammenfassend dargestellt und näher erläutert. Anhand der beobachteten Änderungen werden Vorschläge für künftige Maßnahmen abgeleitet.
Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und in Bereichen lokaler Strömungsablösung
(2004)
Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen sind in den ersten Stufen in hohem Maße Filmgekühlt, um den sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen zu widerstehen. Gleichzeitig gehen die Bestrebungen dahin, in der einzelnen Stufe mit einer möglichst geringen Anzahl von Turbinenschaufeln die Arbeitsumsetzung zu erhöhen. Infolge dieser Optimierung ergeben sich an der Turbinenschaufeloberfläche zunehmend Gebiete mit verzögerter Hauptströmung, welche mittels Filmkühlung zu kühlen sind. Weiterhin steigt die Gefahr der Strömungsablösung am Turbinenschaufelprofil, deren Interaktion mit der notwendigen Filmkühlung zu klären ist. Zu klären ist, inwiefern die Bauteilkühlung bei lokaler Strömungsablösung mit der Filmkühlung beherrschbar ist. Ziel dieser Arbeit ist die grundlegende Untersuchung und Bewertung der Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und der Filmkühlung in Bereichen mit lokaler Strömungsablösung. Die Untersuchungen werden für die Filmkühlung aus einer Reihe von Kühlluftbohrungen durchgeführt. Diesbezüglich sind sie im typisch Reynoldszahlbereich der Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen dimensioniert. Da bei der Filmkühlung durch den Kühlluftstrahl, der in die heiße Hauptströmung eintritt, eine stark anisotrope Turbulenzstruktur zu erwarten ist, werden diese grundlegenden Untersuchungen experimentell durchgeführt. Die Versuchsergebnisse können sodann zur Validierung numerischer Strömungslöser herangezogen werden, auch wenn diese die Turbulenz isotrop simulieren. Mit dem Ammoniak-Diazo-Verfahren mit Online-Kalibrierung wird ein hochauflösendes flächiges Messverfahren zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität weiterentwickelt und vorgestellt. Sehr detaillierte Untersuchungen der adiabaten Filmkühleffektivität werden zur Filmkühlung bei verzögerter Hauptströmung und bei lokaler Strömungsablösung wiedergegeben. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch umfangreiche Strömungsfelduntersuchungen mit der 2D- und 3D Laser Particle Image Velocimetry (PIV) und der Hitzdrahtanemometrie. Für die finanzielle Unterstützung zum Aufbau und zur Durchführung der Forschungstätigkeit an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus danke ich dem Land Brandenburg und der Bundesrepublik Deutschland sowie den Firmen Rolls-Royce Deutschland Ltd., MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG und Alstom Schweiz AG (ehemals ABB Kraftwerke).
A computational tool and a methodology for steady state heat exchanger simulations of recuperated gas turbines and aero-engines have been developed. As an example a compact tube bundle heat exchanger with oval shaped tubes was chosen. The simulation tool proved to work for different layouts of the heat exchanger and for different geometrical configurations of the gas turbine engine exhaust ducts. The resistance tensors were tuned against both CFD-data and experimental data and the computational model was to some extent validated against experimental results. For the validation isothermal experimental data from the Laboratory of Fluid Mechanics and Turbomachinery at the Technical University of Thessaloniki was used together with hot gas channel data from MTU. The calculated and measured velocity profiles showed an acceptable agreement that in some of the cases was even very good. The calculated pressure drop deviated less than 10% for the compared cases, which must be considered to be acceptable. The calculared results for the hot gas cases showed an exaggerated heat transfer rate, most likely due to the use of a cold side heat transfer correlation for fully turbulent flow, although the Reynolds numbersindicated transitional flow.