Erweiterung der rechnergestützten Regelung zur pneumatischen Drosselung des Hochdruckverdichters des Triebwerks Larzac 04
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Studienarbeit aus dem Jahr 1996 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Luft- und Raumfahrttechnik, Note: 1,0, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg (Luft- und Raumfahrtechnik, Strahlantriebe), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Problemstellung:Die Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist gekennzeichnet durch die stetige Bemühung, eine noch sparsamere, umweltfreundlichere und leistungsstärkere Maschine zu konstruieren. Den Verdichter betreffend läßt sich daraus die Forderung nach einer leichten und kompakten Bauweise mit möglichst wenigen, hochbelasteten Stufen ableiten.D...
Studienarbeit aus dem Jahr 1996 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Luft- und Raumfahrttechnik, Note: 1,0, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg (Luft- und Raumfahrtechnik, Strahlantriebe), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Problemstellung:
Die Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist gekennzeichnet durch die stetige Bemühung, eine noch sparsamere, umweltfreundlichere und leistungsstärkere Maschine zu konstruieren. Den Verdichter betreffend läßt sich daraus die Forderung nach einer leichten und kompakten Bauweise mit möglichst wenigen, hochbelasteten Stufen ableiten.
Durch verschiedene Verbesserungen an den Profilformen der Beschaufelung einzelner Turbokomponenten sind mittlerweile sehr hohe Stufenbelastungen möglich allerdings kann das hierdurch bereitgestellte Leistungspotential nur beschränkt ausgenutzt werden, da das Triebwerk aus Sicherheitsgründen mit einem gewissen Abstand zur aerodynamischen Stabilitätsgrenze seines Verdichters betrieben werden muß. Ein Überschreiten der Stabilitätsgrenze kann zu Beschädigung oder sogar Ausfall des Triebwerkes führen; in jedem Fall allerdings kommt es dabei zum deutlichen Schubverlust. Andererseits ist der Verdichter-wirkungsgrad in unmittelbarer Nähe der Stabilitätsgrenze optimal, daneben steigt das Druckverhältnis des Verdichters mit Annäherung an diese Grenze und damit der Wirkungsgrad des inneren Kreisprozesses, wodurch die geforderte Triebwerkleistung mit weniger Stufen erbracht werden kann.
Durch Umsetzung moderner Regelungskonzepte, basierend auf Digitalrechnern mit schnellen Stellgliedern, wäre hier eine Leistungssteigerung möglich: Über eine ständige Zustandsüber-wachung des Triebwerks könnte mit solchen Reglern der Abstand zur Stabilitätsgrenze in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand auf dem notwendigen Minimum gehalten werden, ohne daß dabei die Betriebssicherheit gefährdet würde. Mit dem Ziel der späteren Entwicklung einer solche Regelung wird derzeit das Betriebsverhalten eines Triebwerks in der Nähe der Pumpgrenze untersucht, wobei als Versuchsträger auf das Zweiwellen-Zweistrom-Strahltriebwerk Larzac 04 zurückgegriffen wird; das Larzac 04 wird dazu künstlich pneumatisch angedrosselt. Diese Untersuchungen sind nicht ohne Risiko, da das Triebwerk beim Auftreten instabiler Strömungseffekte innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder in den stabilen Betriebsbereich zurückgefahren werden muß.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Erkennungsvorgang des ausgebildeten Pumpens, einer Instabilität der Verdichterströmung im oberen Drehzahlbereich, als erstem Schritt auf dem Weg zu einer Regelung der pneumatischen Drosselung. Dazu wird zunächst ein allgemeiner Überblick über das instabile Triebwerkleistungsverhalten gegeben, bevor mögliche Detektionsmechanismen beschrieben werden, die für die gezielte Ansteuerung der pneumatische Drosselung und später auch für die Triebwerksregelung verwendet werden können.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung7
2.Triebwerkleistungsverhalten9
2.1Verdichterinstabilitäten9
2.1.1Rotierende Ablösung10
2.1.2Verdichterpumpen11
2.1.3Charakeristika des Larzac 0413
2.2Methoden zur Triebwerkdrosselung22
2.2.1Einsatz eines Verdrängungskörpers22
2.2.2Lufteinblasung23
2.2.3Konzeption der pneumatischen Drosselung des Larzac 0424
3.Programm zur analogen Ausgabe von Triebwerkmeßwerten PAT31
3.1Verwendete Hardware31
3.2Programmaufruf32
3.3Programmablauf34
4.Auswahl und Erprobung geeigneter Kriterien für die Detektion von instabilen Verdichterströmungen als Voraussetzung für die Regelung einer pneumatischen Drosselung37
4.1Instrumentierung des Larzac 0437
4.2Gradientenverfahren40
4.3Betrachtung der Fourier-Transformierten von aufgenommenen Meßwerten44
5.Zusammenfassung54
6.Anhang56
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Die Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist gekennzeichnet durch die stetige Bemühung, eine noch sparsamere, umweltfreundlichere und leistungsstärkere Maschine zu konstruieren. Den Verdichter betreffend läßt sich daraus die Forderung nach einer leichten und kompakten Bauweise mit möglichst wenigen, hochbelasteten Stufen ableiten.
Durch verschiedene Verbesserungen an den Profilformen der Beschaufelung einzelner Turbokomponenten sind mittlerweile sehr hohe Stufenbelastungen möglich allerdings kann das hierdurch bereitgestellte Leistungspotential nur beschränkt ausgenutzt werden, da das Triebwerk aus Sicherheitsgründen mit einem gewissen Abstand zur aerodynamischen Stabilitätsgrenze seines Verdichters betrieben werden muß. Ein Überschreiten der Stabilitätsgrenze kann zu Beschädigung oder sogar Ausfall des Triebwerkes führen; in jedem Fall allerdings kommt es dabei zum deutlichen Schubverlust. Andererseits ist der Verdichter-wirkungsgrad in unmittelbarer Nähe der Stabilitätsgrenze optimal, daneben steigt das Druckverhältnis des Verdichters mit Annäherung an diese Grenze und damit der Wirkungsgrad des inneren Kreisprozesses, wodurch die geforderte Triebwerkleistung mit weniger Stufen erbracht werden kann.
Durch Umsetzung moderner Regelungskonzepte, basierend auf Digitalrechnern mit schnellen Stellgliedern, wäre hier eine Leistungssteigerung möglich: Über eine ständige Zustandsüber-wachung des Triebwerks könnte mit solchen Reglern der Abstand zur Stabilitätsgrenze in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand auf dem notwendigen Minimum gehalten werden, ohne daß dabei die Betriebssicherheit gefährdet würde. Mit dem Ziel der späteren Entwicklung einer solche Regelung wird derzeit das Betriebsverhalten eines Triebwerks in der Nähe der Pumpgrenze untersucht, wobei als Versuchsträger auf das Zweiwellen-Zweistrom-Strahltriebwerk Larzac 04 zurückgegriffen wird; das Larzac 04 wird dazu künstlich pneumatisch angedrosselt. Diese Untersuchungen sind nicht ohne Risiko, da das Triebwerk beim Auftreten instabiler Strömungseffekte innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder in den stabilen Betriebsbereich zurückgefahren werden muß.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Erkennungsvorgang des ausgebildeten Pumpens, einer Instabilität der Verdichterströmung im oberen Drehzahlbereich, als erstem Schritt auf dem Weg zu einer Regelung der pneumatischen Drosselung. Dazu wird zunächst ein allgemeiner Überblick über das instabile Triebwerkleistungsverhalten gegeben, bevor mögliche Detektionsmechanismen beschrieben werden, die für die gezielte Ansteuerung der pneumatische Drosselung und später auch für die Triebwerksregelung verwendet werden können.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung7
2.Triebwerkleistungsverhalten9
2.1Verdichterinstabilitäten9
2.1.1Rotierende Ablösung10
2.1.2Verdichterpumpen11
2.1.3Charakeristika des Larzac 0413
2.2Methoden zur Triebwerkdrosselung22
2.2.1Einsatz eines Verdrängungskörpers22
2.2.2Lufteinblasung23
2.2.3Konzeption der pneumatischen Drosselung des Larzac 0424
3.Programm zur analogen Ausgabe von Triebwerkmeßwerten PAT31
3.1Verwendete Hardware31
3.2Programmaufruf32
3.3Programmablauf34
4.Auswahl und Erprobung geeigneter Kriterien für die Detektion von instabilen Verdichterströmungen als Voraussetzung für die Regelung einer pneumatischen Drosselung37
4.1Instrumentierung des Larzac 0437
4.2Gradientenverfahren40
4.3Betrachtung der Fourier-Transformierten von aufgenommenen Meßwerten44
5.Zusammenfassung54
6.Anhang56
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