Nomenklatur Lateinische Formelzeichen...XXI Griechische Formelzeichen... XXXIII A bkürzungen... XXXVII Glossar...XXXVII

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1 Inhaltsverzeichnis Nomenklatur XXI Lateinische Formelzeichen...XXI Griechische Formelzeichen... XXXIII A bkürzungen... XXXVII Glossar...XXXVII 1 Einleitung Problemstellung Zielsetzung und Inhalt der A rbeit Spezifische Aspekte zum Stand der Technik Gasturbinenanlagen - Gasturbinenantriebe Geschichte der Gasturbinenentwicklung Gasturbinen in ausgewählten Einsatzfeldern Gasturbinen in der Stromerzeugung Industriegasturbinen für den Antrieb von Schiffen Frühe Gasturbinentriebwerke in der L uftfahrt Moderne Gasturbinentriebwerke in der L u ftfa h rt Rechnerische Abschätzung der Strahlleistung von Strahltriebwerken Verbesserung des maximalen Wirkungsgrades Regenerative Gasturbinenprozesse Der Gleichraum-Gasturbinenprozess Gemischte Kreisprozesse Innere Verdichterkühlung durch Verdunstung Kombination des Gasturbinenprozesses mit Dampfprozessen Regenerative Prozesse mit Wärmerückgewinnung durch Verdampfung Kombinierter Joule-Prozess mit Wärmezufuhr bei Überdruck und Wärmeabfuhr bei Unterdrück - Combined Inverse Brayton Cycle... 33

2 2.5 Verbesserung des Wirkungsgradverlaufes Geschlossener Gleichdruck-Gasturbinenprozess Abschalten einzelner Gasturbineneinheiten Reduktion des Massenstroms durch Leiteinrichtungen an Verdichter und Turbine Theoretische Grundlagen Vergleichsprozesse von Gasturbinenanlagen Der Joule-Kreisprozess Wirkungsgrade im Joule-Prozess Der thermische Wirkungsgrad Das optimale Druckverhältnis Das Grenzdruckverhältnis Der exergetische W irkungsgrad Vergleichsprozess und Realprozess für den Leerlauf einer einfachen Gasturbinenanlage ohne Wärmerückgewinnung Der Kreisprozess des Leerlaufes Der spezifische Leerlaufbrennstoffverbrauch Die spezifische Leerlaufwärmezufuhr Das Leerlaufverbrauchsverhältnis - Einführung einer neuen dimensionslosen K ennzahl Der Ericsson-Kreisprozess und der Ackeret-Keller- Kreisprozess - Carnotisierung des Gasturbinenprozesses Der Ericsson-Kreisprozess Die Ackeret-Keller-Anlagen Teillastverhalten von Gasturbinen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren Teillastverhalten von G asturbinen Leistungskennlinie nach dem Propellergesetz Konstante Drehzahl im offenen Kreisprozess Konstante Drehzahl im offenen Kreisprozess mit konstanter Turbinenaustrittstem peratur Konstante Drehzahl im geschlossenen Kreisprozess Optimale variable D rehzahl Vergleich des Teillastverhaltens von Gasturbinen mit denen von Otto- und D ieselm otoren Experimentelle Voraussetzungen Vorstudien... 87

3 4.2 Entwicklung, Aufbau und Funktionsweise der Versuchsgasturbine Mechanischer A u f b a u Brennstoffsystem und Schmier- und Kühlkreislauf der Versuchsgasturbine Anlassen, Betrieb und Abstellen der Versuchsgasturbine Messsystem, Datenerfassung, Datenaufbereitung und Analyse M essschrank M essfühler Datenerfassung, -aufbereitung und -an aly se Durchführung der Experimente Auslegung der Versuchsgasturbine Charakterisierung der Versuchsgasturbine Auslegungsstrategie Neuabstimmung eines Kfz-Abgasturboladers für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage Überschlägige Berechnung des erreichbaren Verdichterdruckverhältnisses und des maximalen Wirkungsgrades anhand elementarer Geometriedaten Umgebungsbedingungen Verdichtereintritt Laufradaustritt und Minderleistungsfaktor Laufradverluste - Teil I Laufradverluste - Teil I I Diffusorverluste Luftleitung bis zur Messstelle vor dem Brennkammereintritt Die D ruckzahl Mittlere spezifische W ärmekapazität Auslegung des Gasturbinenprozesses auf Basis eines gegebenen Verdichters Thermodynamische R andbedingungen Verdichtung der angesaugten L u f t Wärmezufuhr in der B rennkam m er Expansion in der Turbine Leistungsbilanz Wirkungsgrade Volumenströme Ergebnis der Auslegung der Versuchsgasturbine

4 6 Der reale Kreisprozess der Versuchsgasturbine im Leerlauf Berechnung der realen Kreisprozessparameter aus Momentanmesswerten Umrechnung der experimentellen und berechneten Momentanwerte auf normiert-reduzierte G rößen Der spezifische Leerlaufbrennstoffverbrauch und die Kruschik-Zahl der Versuchsgasturbine Thermodynamische Charakterisierung der Versuchsgasturbine im Leerlauf Verlauf des realen Leerlauf kreisprozesses über der Drehzahl ohne Verstelleinrichtung Optimaler Verlauf des realen Leerlauf kreisprozesses über der Drehzahl mit Beeinflussung durch die Verstelleinrichtung Verlauf des spezifischen LeerlaufbrennstoffVerbrauches und der Kruschik-Zahl Auswirkungen der alleinigen Verstellung des Verdichtervorleitrades Der Leerlaufbrennstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Drehzahl mit Beeinflussung durch die Verstelleinrichtungen Verlauf des Leerlaufbrennstoffverhältnisses mit und ohne Beeinflussung durch die Verstelleinrichtungen Auswirkungen bei optimaler Verstellung der Leitapparate auf die charakteristischen Größen der Versuchsgasturbine Vergleich der Versuchsgasturbine mit anderen Wärmekraftmaschinen Zusammenfassung und Ausblick 191 Anhang 194 A Relevante Vorarbeiten 195 A.1 Mechanische Leistungsauskopplung aus einer Experimentalgasturbine 195 A.2 Luftgelagerter Abgasturbolader A.2.1 E in le itu n g A.2.2 Modifizierung des Versuchsturboladers mit einer aerodynamischen L ag e ru n g A.2.3 Herstellung des Radialfolienlagers und des Axiallagers A.2.4 Der Versuchsstand - Simulierter einfacher, offener Gasturbinenprozess mit externer L u ftz u fu h r A.2.5 Inbetriebnahme des Versuchsturboladers und seine Zerstörung 208 A.3 Justage des Brennstoffzerstäubers der B rennkam m er

5 A.4 Brennkammerprüfstand A.5 Prüfstand für eine Expansionsturbine A.5.1 Einleitung A.5.2 Aufbau des Prüfstandes A.5.3 Kennfelder der Turbinenstufe des untersuchten Abgasturboladers A. 6 Thermische Versperrung der Turbine in einer Gasturbinenanlage B Mathcad-Funktionen 227 B. l Funktion zur iterativen Bestimmung der Mach-Zahl am Verdichtereintritt B.2 Funktion zur iterativen Bestimmung des optimalen Massenstroms B.Z Funktion zur iterativen Bestimmung der meridionalen Komponente der Laufradaustrittsgeschwindigkeit B.4 Funktion zur iterativen Bestimmung der Verlustzahl eines Krümmers 232 B.5 Funktion zur iterativen Bestimmung der statischen Temperatur aus der Ruhetemperatur, dem statischen Druck und dem Ruhedruck Literatur 235 Stichwortverzeichnis 242