MAN Energy Solutions entwickelt in dem hier vorliegenden Projekt einen Verdichter axialer Bauweise für die Eigenschaften von CO2, also einem molekular schweren Gas. Dieser Verdichter muss hohe Volumenströme verarbeiten, wie sie insbesondere in Kraftwerksanlagen entstehen. Zu den wichtigsten Optionen bei der Vermeidung von Umweltbelastungen durch den weltweit ansteigenden CO2-Ausstoss gehört die CCS-Technologie; diese unterscheidet verschiedene Verfahren zur CO2-Abscheidung wie die Abtrennung nach Kohlevergasung (Pre-Combustion / IGCC) oder die Abscheidung nach dem Verbrennungsprozess (Post Combustion). Eines jedoch eint diese Verfahren: die Notwendigkeit von CO2-Verdichtern für den Transport des Treibhausgases vom Kraftwerk zum Speicherort und zum Verpressen der entstandenen CO2-Massen. Eine intelligente Lösung zur Förderung großer CO2-Volumina liegt in der Vorverdichtung mittels eines geeigneten Axialverdichters und der damit einhergehenden Reduktion des Volumenstroms sowie anschließender Verdichtung auf den Enddruck mittels eines Radialverdichters. Die Vorteile eines Axialverdichters für CO2 sind dabei die sehr hohen Wirkungsgrade, die Möglichkeit der Verdichtung großer Volumenströme in einem einzigen Verdichtergehäuse, die Wärmenutzung aus der Kompression in Kraftwerksprozessen und die mechanische Zuverlässigkeit des Kompressors. Die Kombination von hohen Wirkungsgraden, Zwischenkühlungen und dem Eintrag von Abwärme in den Prozess resultiert in einem geringstmöglichen Energieverbrauch für die Verdichtung. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden die Grundlagen der Axialverdichterauslegung für CO2 erarbeitet, auf deren Basis transsonische Prozessverdichter zur Förderung großer CO2-Volumina ausgelegt werden können. Da mit der CO2-Verdichtung mittels eines Axialverdichters Neuland betreten wird, ist sowohl eine Verifikation der numerischen Werkzeuge als auch eine Validierung der angewandten Modelle zwingend erforderlich. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsverdichter entwickelt, welcher durch eine umfangreiche Instrumentierung und ein intelligentes Messprogramm alle erforderlichen Messdaten bereitstellt. Die hier weiterentwickelte Technologie zur Verdichtung schwerer Gase mittels eines großen Axialverdichters eignet sich daneben auch für den Einsatz in großskaligen Produktionsanlagen zur Kompression von Kohlenwasserstoffen, Erdgas sowie Stickoxiden oder Wasserstoff. Diese Grundstoffe sind vor dem Hintergrund eines globalen Bevölkerungswachstums ebenso essentieller Bestandteil wirtschaftlichen Wachstums und sozialen Wohlstandes wie eine stabile und ausreichend dimensionierte Energieversorgung. Für die vornehmlichen Standorte dieser Anlagen im asiatischen, afrikanischen und südamerikanischen Raum spielt die Verfügbarkeit der hier entwickelten Technologien also eine nicht unbedeutende Rolle bei der langfristigen Entwicklung von Schwellen- zu Industrienationen.
Ziel dieses Vorhabens ist es, eine hoch belastete, für hohen Wirkungsgrad und hohe Stabilität optimierte Konfiguration eines transsonischen Verdichters unter dem Aspekt der instationären Aerodynamik und der Aeroelastik zu untersuchen. Die Inhalte dieses Vorhabens stehen in engem Zusammenhang zu den Vorhaben 1.2.6a und b, welche auf die experimentelle Untersuchung abzielen. Zum Einen sollen die Ergebnisse bei der Auslegung der Beschaufelung berücksichtigt werden, zum Anderen sollen sie bei der Durchführung der Messaufgaben unterstützen. 1) In der ersten Phase soll die stationär optimierte Geometrie mit instationären Modellen im Auslegungspunkt analysiert werden. Der Fokus liegt auf der Untersuchung der für den Wirkungsgrad im Auslegungspunkt relevanten Interaktionseffekte. 2) Erweiterung auf die Bewertung der aerodynamischen Stabilität, hierzu sind Drehzahl Kennlinien bei verschiedenen Drehzahlen und IGV-Stellung zu berechnen und die, die Stabilität bestimmenden Effekte im Vergleich zu den stationären Modellen zu analysieren. 3) Analyse des aeroelastischen Verhaltens der Beschaufelung und gegebenenfalls entsprechende Modifikation des Designs mittels AP4. 4) Implementierung einer effizienten Aeroelastik Prozesskette in die automatisierte Optimierung 5) Verbesserung von Modellen zur effizienten zeitgenauen Berechnung der Schaufelreihen-Interaktion.
Ziel des Vorhabens ist es, in Fortfuehrung des Turbotech I-Vorhabens 1.2.1.3 (Einfluss der Filmkuehlung auf die Aerodynamik der Turbinenschaufeln) systematische experimentelle Untersuchungen an Turbinenschaufeln mit Filmkuehlungsausblasung durchzufuehren, wobei als Kuehlfluid CO2 bzw. ein Gemisch aus CO2 und Industriekuehlfluid R12 eingesetzt werden soll. Hierdurch werden Dichteverhaeltnisse simuliert, wie sie in den realen Gasturbinen durch das Dichteverhaeltnis von Heissgas im Schaufelkanal zu Kuehlfluid gegeben sind. Es werden detaillierte Messungen in einem ebenen transsonischen Gitterwindkanal durchgefuehrt, um verbesserte Kenntnisse ueber die Beeinflussung der Profilgrenzschichten und Stoss-Grenzschicht-Interaktionsphaenomen zu gewinnen. Die Versuche werden fuer eine grosse Anzahl von Parametervariationen, wie z B die der Reynoldszahl, der Machzahl, der Kuehlfluidausblasekonfiguration, des Massenstromdichteverhaeltnisses und des Dichteverhaeltnisses vorgenommen. Insbesondere soll durch Sichtbarkeitsmethoden der Einfluss des Kuehlfluids mit der hoeheren Dichte auf das Grenzschichtverhalten am Profil und auf die Mischungsverluste mit der Hauptstroemung erfasst werden.
Vorhaben 1.230: Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen experimentelle Untersuchungen an einem modernen Axialverdichter Aufschluss ueber die raeumliche Ausdehnung der Rotating Stall-Zellen innerhalb der Stufen geben. Fuer eine Untersuchung der dreidimensionalen Stroemung innerhalb der Abloesezellen sind die notwendigen Messverfahren auszuwaehlen bzw. zu entwickeln und an der Maschine auf ihre Eignung hin zu testen. Damit soll die Moeglichkeit fuer die Bereitstellung von bisher nicht verfuegbaren Gitterkorrelationen an einem hochbelasteten Axialverdichter mit hohen Stroemungsgeschwindigkeiten geschaffen werden. Der instationaere Charakter der Stroemungsphaenomene und die begrenzten Platzverhaeltnisse in den Stufen beschraenken die Auswahl der Messverfahren fuer den Stroemungsvektor auf Hitzdraht- bzw. Heissfilmsonden. Die messtechnische Erfassung des instationaeren Druckes soll durch eine Sonde mit Miniaturdruckaufnehmer erfolgen. Die Temperaturabhaengigkeit der Mess-Signale ist besonders zu beruecksichtigen. Fuer die genannten Problemstellungen sind in der Interimsphase Loesungsansaetze zu entwickeln.
Das Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo 2020, dessen Ziel die Reduzierung der CO2-Emissionen fossil befeuerter Kraftwerke durch Effizienzsteigerung ist. Ziel dieses Vorhabens sind die Entwicklung einer 3D-Beschaufelung und einer Gehäusekonturierung, die bei den für Hochdruckstufen stationärer Gasturbinen typischerweise großen Radialspaltweiten der Laufschaufeln ein besseres Pumpgrenzverhalten ohne signifikanten Wirkungsgradverlust erreicht. Mittels numerischer Simulationen sollen auf diese 3D-Beschaufelung abgestimmte Gehäusekonturierungen mit Umfangsnuten entwickelt werden. Diese Varianten werden anschließend im vierstufigen Niedergeschwindigkeitsaxialverdichter der TU Dresden untersucht und gegenüber eine Referenz hinsichtlich der Performance und des Pumpgrenzverhaltens bewertet. Von Seiten des Industriepartners Alstom wird eine neue 3D-Beschaufelung ausgelegt, parallel dazu wird an der TU Dresden eine numerische Fallstudie zu möglichen Gehäusekonturen durchgeführt. In einer ersten Messkampagne wird die neue Beschaufelung mit glattem Gehäuse untersucht und drei erfolgversprechende Gehäusekonturen in der 3. Stufe getestet. Nach Auswertung der Messdaten wird eine der Konturen über allen 4 Stufen verbaut und in einer zweiten Messkampagne getestet. Abschließend werden aus den Erkenntnissen Designregeln abgeleitet.