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Potentialbewertung einer Verdichterlaufschaufelverstellung in Gasturbinen

Sauer, Tim

To evaluate the potential of a variable pitch rotor, the impact on efficiency, agility and stability was examined based on the low pressure compressor of the V2500-A5 engine. For this purpose, a framework has been implemented which reproduces the fundamental mechanisms in a holistic approach by combining a meanline, a synthesis and a mission model. The effect of the rotor blade adjustment is modelled here using a parametric geometry transformation with particular focus on the radial gap losses. In order to identify possible benefits, optimisation studies were carried out by varying the blade pitch angle. On the one hand, it was possible to derive a stationary control law which raises the isentropic compressor efficiency of the operating range to the design level and almost doubles the possible operating area, making a booster bleed valve redundant. However, the evaluation at mission level shows that savings of the averaged specific fuel consumption of more than 0.1 % can be achieved for flight ranges of up to 2,300 km only. On the other hand, a transient control law was identified which reduces the acceleration time by 6.4 % for an exemplary acceleration according to CS-E 745. An initial dethrottling of the rotor leads to an increased speed gradient and a subsequent moderate throttling of the rotor results in an additional steeper thrust gradient. As a variable pitch rotor within the compressor is in competition with the BLISK and Geared Turbofan technology and due to the low efficiency gains, it is considered to be viable in flight applications to a limited extent only. In contrast, an application in a stationary gas turbine is conceivable due to the substantial efficiency advantage in the part load range.
Zur Bewertung des Potentials einer Verdichterlaufschaufelverstellung wurden am Beispiel des Niederdruckverdichters des V2500-A5 Triebwerks der Einfluss auf die Effizienz, die Agilität und die Stabilität betrachtet. Hierzu wurde eine Modellumgebung implementiert, die durch die Verknüpfung eines Mittelschnitt-, eines Synthese- und eines Missionsmodells die zugrundeliegenden Mechanismen sowohl gitterspezifisch als auch holistisch abbildet. Der Einfluss der Rotorblattverstellung wird hierin unter besonderer Berücksichtigung der radialspaltinduzierten Verluste durch eine parametrisierte Geometrietransformation modelliert. Zur Identifikation möglicher Mehrwerte dieser Technologie wurden Optimierungsstudien unter Variation der Schaufelverstellwinkel umgesetzt. So konnte zum einen ein stationäres Verstellgesetz formuliert werden, welches sowohl den isentropen Verdichterwirkungsgrad im operativen Bereich auf Auslegungsniveau hebt als auch den möglichen Betriebsbereich nahezu verdoppelt und somit ein Abblassystem obsolet werden lässt. Die Bewertung auf Missionsebene zeigt jedoch, dass allein für Flugreichweiten von bis zu 2.300 km Einsparungen des mittleren spezifischen Brennstoffverbrauchs von mehr als 0,1 % erzielt werden können. Zum anderen wurde ein transientes Verstellgesetz formuliert, welches eine Reduktion der Beschleunigungszeit um 6,4 % bei einer exemplarischen Beschleunigung nach CS-E 745 ermöglicht. So zeigt sich, dass durch eine anfängliche Entdrosselung der Rotoren eine raschere Drehzahlsteigerung und durch die anschließende moderate Androsselung ein insgesamt steilerer Schubgradient realisiert werden kann. Da eine Verdichterlaufschaufelverstellung in Konkurrenz zur BLISK- und Getriebefantechnologie steht, wird sie in Triebwerken aufgrund der geringen Effizienzgewinne nur unter Vorbehalt als durchsetzungsfähig erachtet. Demgegenüber ist eine Anwendung in einer stationären Gasturbine durch den erheblichen Wirkungsgradvorteil im Teillastbereich denkbar.