Inhaltsverzeichnis. 1 Zielsetzung... 1
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- Nadine Britta Giese
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1 1 Zielsetzung Einleitung Maßgebende Randbedingungen und technologische Beschränkungen bei Verdichtern Rolle und Relation der Gestaltungsgrundsätze Thermodynamische Grundlagen Aerodynamische Grundlagen Ähnlichkeitsbedingungen KennfeldundArbeitslinie Zeitliche Entwicklung der Verdichter-Auslegungsparameter StatistischeErfassungundAnalyseexistierenderVerdichter Methodik der Datenerfassung Größeneinfluss Einführungszeitraum EIS EinflussderRe-Zahl Normierte polytrope Wirkungsgrade StatistikderVerdichterdaten Korrelationsparameter stufige Fans von zivilen Turbofans und Mantelpropfans Mehrstufige ND-Verdichter militärischer Turbofans Booster -Stufen und MD-Verdichter von Turbofans undmantelpropfans HD-VerdichtervonTurbofansundMantelpropfans Axial-/Radialverdichter und mehrstufige Radialverdichter für kleine Turbofans und Wellenleistungstriebwerke Allgemeines Axialteile Radialverdichter Verdichterkennfelder Normierung VariableGeometrie ix
2 x Inhaltsverzeichnis 4 Integration und Dimensionierung Vorbemerkung ZivileTurbofans Überblick stufige Fans für Turbofans ohne Getriebe mit 2- oder 3-welligem Kerntriebwerk Langsam laufende Booster -Stufen bei 2-Wellen- Turbofans Hochtourige Booster -Stufen bei Turbofan mit Getriebe HD-Verdichtervon2-und3-Wellen-Turbofans Allgemeines HD-Verdichter mit 1-stufiger HD-Turbine fürzivile2-wellen-triebwerke(falla) HD-Verdichter mit 2-stufiger HD-Turbine (Fall b) ND- und HD-Verdichter in Kerntriebwerken von zivilen 3-Wellen-Triebwerken Verdichter kleiner Turbofans für Geschäftsflugzeuge MD- und HD-Verdichter von großen Turboprops ND- und HD-Verdichter für militärische Turbofans mitnachbrenner Ax/R- oder 2R-Verdichter von Wellenleistungstriebwerken der Klasse 1000 kw für Hubschrauber, Kleintransporter undgeschäftsflugzeuge Schlussbemerkung Aerodynamik des Axial- und Radialverdichters Vorbemerkungen zu Axialverdichtern Zusammenhänge bei der Durchströmung von Axialverdichtern Drallgesetze StrömungimMeridianschnitt Methode der Meridianstromlinienkrümmung Geschlossener Ansatz für Sonderfall R = 50% Actuatordisktheory Singularitätenverfahren Methode der finiten Elemente Strömung im Tangentialschnitt Geschwindigkeitsdreiecke und aerodynamische Schaufelkräfte Beziehungen zwischen Stromflächen und Zylinderschnitten Geschwindigkeitsdreiecke und aerodynamische KräfteaufZylinderflächen Verlustkorrelationen Übersicht ProfilverlustebeiUnterschall SupersonischeVerluste VerlusteimtranssonischenBereich...180
3 xi VerlustedurchSeitenwandreibung Rand (Sekundär)- und Spaltverluste Spaltumströmung Reibung an Leitgitter-Innenringen Seitenwandgrenzschichten Allgemeines Schaufelkraftdefizite Statistische Daten zu Seitenwandgrenzschichtdicken Theorie der Seitenwand-Grenzschichtentwicklung Stabilität der Seitenwandgrenzschicht bei Gittern mit Radialspalt Schlussbemerkung Radiale Mischung Wirkungsgrade und Abreißgrenzen Stufenwirkungsgrad bei inkompressibler undkompressiblerströmung Abreißreserve Einfluss des Radialspiels auf Abreißreserve und Wirkungsgrad Einfluss der Stator-Oberflächenstruktur über den Laufschaufeln auf Abreißreserve und Wirkungsgrad Kombination günstigen Wirkungsgrades mitakzeptablerabreißreserve Einfluss der Stufenbelastung auf Abreiß-/ PumpgrenzemehrstufigerVerdichter Beurteilung und Vorausberechnung von Wirkungsgraden mehrstufigerverdichter dimensionale, reibungsbehaftete, kompressible Durchströmung Navier-Stokes-Gleichungen und Turbulenzmodellierung Vorbemerkungen Phänomeneder3D-Strömung Bewegungsgleichungen Turbulenzmodellierung Rückblick auf radiale Mischung Euler-Gleichungen Praktische Durchführung der 3-dimensionalen Rechnung Beispiele für Ergebnisse zur 3-dimensionalen Berechnung von Gittern BestehendeProblemzonen Instationäre Gitteraerodynamik D-EffektebeiderGestaltungderSchaufeln Radialverdichter Vorbemerkungen Ringraum-bzw.Laufradgestaltung...301
4 xii Inhaltsverzeichnis Rotordurchströmung Überblick Reibungsfreie Strömung Grenze der Anwendbarkeit der Theorie der reibungsfreien Strömung Abschätzung der aerodynamischen Schaufelbelastung Strahl-Dellen - bzw. jet-wake - Strömungsprofil am RV-Radaustritt Blockage im RV-Rotor durch Totwasser und Seitenwandgrenzschichten Gesichtspunkte zur Durchströmung und Gestaltung der axialen Rotor-Eintrittspartie Minderleistungsfaktor Diffusoren Diffusor-Bauweisen Diffusor-Durchströmung Wirkungsgrad Moderne Berechnung der RV-Durchströmung nach NS-3D-Methodik Schaufel-/Profilgestaltung Axialverdichter Vorbemerkungen Start- und Randbedingungen für die Gitter-/Profilberechnung Gitter bei inkompressibler Anströmung mit konventioneller Profilgestaltung (Skelettlinie + Grundprofil) im Rückblick Berechnung nach konformer Abbildung Berechnung nach der Singularitätenmethode Berechnung nach NACA-Gittermessungen Gittereigenschaften bei inkompressibler und subsonischer bis transsonischer Anströmung unter Windkanalbedingungen und im Verdichter Bemerkungen zu Gittern für transsonische undsupersonischeanströmung Gitterberechnung nach 3D-Navier-Stokes-Methode Festlegung wichtiger Gitterparameter bei mehrstufigen Verdichtern Radialverdichter Betriebsverhalten Vorbemerkungen Axialverdichter Kennlinien von Verdichterstufen beiinkompressiblerströmung...390
5 xiii VerdichterstufenbeikompressiblerStrömung Kombination von Stufenkennfeldern zum Gesamtkennfeld eines mehrstufigen Verdichters (StageStacking) BetriebsverhalteniminstabilenBereich Vorbemerkungen RotierendesAbreißen(RotatingStall) Eintritt in abruptes rotierendes Abreißen oderpumpen Beobachtungen zu rotierendem Abreißen beiradialstufenmitaxialerzuströmung Eintrittsstörungen Vorbemerkungen Stationäre Eintrittsstörungen Druckstörungen Temperaturstörungen Kombinierte zirkulare Störungen Radiale Druck- und Temperaturstörungen Koppelungseffekte Instationäre Störungen Instationäre Druckstörung bzw. TurbulenzimEinlauf Instationäre Temperaturstörungen Verschiedenes zur Problematik des Pumpens ExzentrizitätdurchManöverlasten Kompensierendes Gehäuse zur aktiven BeeinflussungdesRadialspiels AktiveSpaltkontrolle(Option) Aktive Pumpverhütung (active surge control ˆ= ASC) BetriebskennlinienvonRadialstufen Vorbemerkungen StufenkennliniebeiinkompressiblerStrömung StufenkennfeldbeikompressiblerStrömung Akustik Überblick AkustischrelevanteDefinitionenundParameter ÜberblickderLärmquellenbeiVerdichtern TonlärmbeifreierZuströmung Schalltransport durch Ringkanäle Interaktions-Tonlärm TransmissionundReflexion Breitbandlärm Eintrittsstörungen Analytische Ansätze und experimenteller Hintergrund zur Berechnung der Schallerzeugung...502
6 xiv Inhaltsverzeichnis Vorbemerkungen Akustische Grundgleichungen TonlärmanFan-Rotoren Schallausbreitung in Ringkanälen Interaktionslärm an Gittern Transmission und Reflexion von Schallwellen an Gittern Breitbandlärm Lärm bei Eintrittsstörungen Ausblick Aeroelastik Flattern und erzwungene Schaufelschwingungen Vorbemerkungen und Phänomene Grundgleichungen und Schwingungsformen Selbst erregte Schwingungen (Flattern) Überblick Schwingende Laufschaufeln in stationärer (ungestörter) Strömung, d. h. Flattern Moderne Methodik der Flatteranalyse Erzwungene Schwingungen (Resonanz) Allgemeines Resonanzanalyse bei Nachlaufdellen/Störungen inderanströmung Moderne Methodik der Resonanzkontrolle Aerodynamisch erregte Systemschwingungen bei mehrstufigen Axialverdichtern Aerodynamisch erregte Schwingungen bei Radialverdichtern SituationamLaufradeintritt Bedingungen im Spalt zwischen Laufrad und Diffusor Konstruktion, Mechanik Vorbemerkungen Verdichterbauweisen Allgemeine, konzeptübergreifende Konstruktionsmerkmale Komponentenbauweisen stufige Fans für zivile Turbofans undmantelpropfans Mehrstufige ND-Verdichter für militärische Turbofans Booster -StufenfürzivileTurbofans MD-Verdichterfür3-Wellen-Turbofans HD-Verdichter für zivile und militärische Turbofans Ax/R-Verdichter für Gasgeneratoren von Wellenleistungstriebwerken undhd-systemevonkleinenturbofans...605
7 xv R-Verdichter für Gasgeneratoren von Wellenleistungstriebwerken VariableGeometrie Konstruktions-/betriebsrelevanteProbleme Axialschubausgleich Druckluftentnahme BelägeanRotorundStator Titanfeuer Schaufelerosion Vogelschlag Rotordynamik Vorbemerkungen Grundprobleme Rotorunwucht und Eigenfrequenzen bzw. kritische Drehzahlen Isotrop-elastischeLager KreiseleffektebeiFlugmanövern Manöverlasten ElastischeLagermitDämpfung Moderne Behandlung rotordynamischer Probleme Bezeichnungen Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...675
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