Das Projekt "Teilvorhaben: 2.2c und 3.2c" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik durchgeführt. Übergeordnete Ziele der in dem Verbundvorhaben 'Innovative Turbomaschinen für nachhaltige Energiesysteme' (InnoTurbinE) zusammengefassten Arbeitspakete an der Leibniz Universität Hannover sind es, in AP 2.2c das Auftreten so genannter Multiresonanzen und Multigrenzzykeln qualitativ und quantitativ zu beschreiben und in AP 3.2c die Turbulenzverteilung in Verdichtern zu charakterisieren. Multiresonanzen und Multigrenzzykeln wurden bei Schwingungsmessungen an realen Triebwerken nachgewiesen und können bislang weder numerisch richtig abgebildet noch experimentell validiert werden. Das AP 2.2c soll die folgenden Fragen beantworten: 1. Welche Mechanismen führen zu Multiresonanzen und Multigrenzzykeln? 2. Wie lassen sich bisherige Modellierungsansätze zu Multiresonanzen experimentell validieren? 3. Welche experimentell einstellbaren Parameter beeinflussen innere Resonanzen und wie ist ihr Einfluss zu quantifizieren? Zu diesem Zweck sollen mittels Shakertests an Balkenstrukturen vorhandene Berechnungsmethodiken erweitert und angepasst werden. Bisherige Turbulenzmodelle für Axialverdichter haben insbesondere nahe der Kennfeldgrenzen erhebliche Modellierungsdefizite. Dadurch entstehen Unsicherheiten im Auslegungsprozess, was die Effizienz von Turbomaschinen im transienten Betrieb und bei Teillast reduziert. Zur Verbesserung der Modelle sollen mittels Grobstruktursimulationen und experimentellen Versuchen in AP 3.2c die folgenden Fragenstellungen beantwortet werden: 1. Wie verteilen sich der Turbulenzgrad und das turbulente Längenmaß innerhalb einer Verdichterkaskade? 2. Welchen Einfluss hat der Eintrittsturbulenzgrad auf die Turbulenzverteilung und das aerodynamische Verhalten einer Verdichterkaskade in nicht-Auslegungspunkten? 3. Können verfügbare Turbulenzmodelle diesen Einfluss wiedergeben? 4. Welche Defizite haben Turbulenzmodelle für die Mittenschnittströmung einer Verdichterkaskade? Beide Vorhaben tragen damit zu einer umweltfreundlichen Luftfahrt bei.
Das Projekt "Teilvorhaben: 1.4a" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MTU Aero Engines AG durchgeführt. In AP1.4a, als Teil des Verbundvorhabens OptiSysKom, werden Untersuchungen von Rotorkavitäten mit verbesserter Luftführung durchgeführt. Die Kavitäten in hinteren Stufen von Axialverdichtern werden häufig nicht nur axial belüftet, sondern auch radial. Dazu wird von außen durch sog. Anti-Vortex-Tubes (AVT) Kühlluft nach innen geführt. So wird vermieden, dass diese Luft großen Drall und damit Druckverlust ausbildet. Die 3-dimensionale Strömungsverteilung ist teils gerichtet, teils chaotisch und stellt daher hohe Anforderungen an die CFD-Simulation. Mit Testaufbauten im Partner-Vorhaben 1.4b an der TU-Dresden werden für unterschiedliche Betriebszustände Messdaten mit AVT gewonnen, mit denen der validierte Bereich von CFD Simulationen, auch unter Berücksichtigung der Wärmetransportvorgänge, deutlich erweitert und die Prognosefähigkeit verbessert wird. Mit den validierten CHT-CFD Simulationen werden bereits in frühen Entwicklungsphasen Vorhersagen der lokalen Temperatur-Gradienten mit verbesserter Zuverlässigkeit ermöglicht . Durch eine genaue Kenntnis der Temperaturverteilungen können Schwachstellen im Design früh erkannt werden und durch entsprechende Anpassungen in der Konfiguration erhebliche Steigerungen von Lebensdauer und/oder Betriebsrobustheit erreicht werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: 1.1a, 3.1a, 4.1a und 4.8a" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MTU Aero Engines AG durchgeführt. Die Arbeiten der MTU konzentrieren sich, mit Fokus auf eine später geplante Umsetzung der Ergebnisse in den Turbokomponenten, auf die Modellierung der Lebensdauervorhersage und Optimierung von Bauteilen und Komponenten für einen fluktuieren-den Betrieb mit hohen Lastzyklen. Im HAP 1' Turbinenbetrieb im Verbund mit Erneuerbaren' entwickelt MTU in Zusammenarbeit mit dem IST RWTH-Aachen in AP 1.1 eine verbesserte Auslegungs- und Bewertungsfähigkeit von Axialverdichtern hinsichtlich des Radial-Spaltströmungseinflusses (Rotor-spalte, Cantilever-Spalte). Im HAP 3 'Lebensdauer bei stark fluktuierendem Betrieb' untersucht MTU in Zusammenarbeit mit dem ITLR der Universität Stuttgart in AP 3.1 die Wärmeübertragung bei fortschrittlichen Kühlkonzepten zur Minimierung des Kühlluftmassenstroms mit Fokus auf schnelle Lastwechselvorgänge im Betrieb. Im HAP 4 'Simulationsverfahren und multi-disziplinäre Optimierung' erweitert MTU in Zusammenarbeit mit RRD und dem TFA der Universität Dresden in AP 4.1 die probabilistischen Auslegungsstrategien für instationär beanspruchte Turbinenbauteile, um die Bauteildimensionierung bei stark fluktuierendem Betrieb zu optimieren. In AP 4.8 soll in Zusammenarbeit MTU mit dem ITLR der Universität Stuttgart durch Verbesserung der numerischen Berechnung von Innenströmungssystemen die Thermalbelastung bei instationärem Betrieb genauer simuliert und damit die Lebensdauer besser bestimmt werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: 2.1b" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg-Essen, Institut für Energie und Umweltverfahrenstechnik, Lehrstuhl für Strömungsmaschinen durchgeführt. Das Forschungsvorhaben untersucht die Auswirkungen der Wassereinspritzung auf das Betriebsverhalten eines Radialverdichters. Die Wassereinspritzung in Axialverdichtern von Gasturbinen ist eine gängige Praxis, um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu verbessern. Um dieses Potenzial auch in Radialverdichtern zu nutzen, sind weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Flüssigkeitseinspritzung notwendig. Die Radialverdichter werden hauptsächlich in der Prozessindustrie eingesetzt. D.h. die Verdichter haben die Aufgabe neben Luft auch andere Prozessgase wie z.B. Methan (CH4) und weitere Kohlenwasserstoffgemische (CxHx) zu verdichten. Hierbei können unterschiedliche Flüssigkeit-Gas Kombinationen in Frage kommen. Es wird heute schon Wassereinspritzung in einigen Prozessverdichtern eingesetzt, um z.B. in Rohgasverdichtern die Temperatur hinter den Verdichtungsstufen zu reduzieren und so eine Polymerisation des Gases zu vermeiden. Hierbei wird eine einfache Mischungsrechnung durchgeführt und die maximale Menge bis zur Sättigung des Gases ermittelt. Weitere Einflussgrößen wie z.B. die Tropfengrößenverteilung inkl. der Tropfendurchmesser u.a. werden dabei nicht berücksichtigt. Ziel dieses Projektes ist es, die Berechnung und Einflüsse der Wassereinspritzung auf das Betriebskennfeld eines Radialverdichters zu untersuchen. Durch den Aufbau einer Versuchsanlage, bestehend aus einem Radialverdichter, kann das Berechnungsmodell für die Ermittlung des Betriebskennfeldes validiert werden. Dabei ist es auch notwendig, unterschiedliche Düsentypen zu vermessen, da die Herstellerangaben bzgl. der Tropfenverteilung in der Regel auf einer Flüssigkeitseinspritzung in einem statischen Umfeld basieren. Die Ergebnisse werden zur Leistungsoptimierung von Radialverdichtern in der Prozessindustrie genutzt.
Das Projekt "Transsonisch-CO2 - Transsonischer Prozessverdichter axialer Bauart zur Verdichtung von Kohlendioxid" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilvorhaben 1.3.5 Instationäre Auslegung transonischer Axialverdichter für Gasturbinen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Antriebstechnik durchgeführt. 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.
Das Projekt "1.1.3; 'Verbesserung des Strömungsverhaltens von subsonischen Verdichterstufen in Axialverdichtern mit großen Radialspaltweiten'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Strömungsmechanik, Professur für Turbomaschinen und Flugantriebe durchgeführt. 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.
Das Projekt "Entwicklung innovativer Verdichtungs-Technologien für hoch kompressible, korrosive Gase (CO2) mit hohen spezifischen Massenströmen und geringen spezifischen Volumenströmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. Im geplanten Vorhaben zur Entwicklung innovativer CO2-Verdichtungstechnologien sollen (Niederdruck-Axialverdichtern nachgeschaltete) Einwellen-Radialverdichter für die Verdichtung sehr grosser CO2-Massenströme entwickelt werden, die das hoch kompressible, korrosive Gas energieoptimiert und wartungsfrei komprimieren. Dazu sind heute noch nicht existierende CO2-spezifische Verdichtungsstufen für Einwellen-Radialverdichter mit sehr kleinen spezifischen Volumenströmen und (auf Grund der sehr hohen Massenströme) sehr hohen Leistungsdichten zu entwickeln. Für die Stufen sind weiterhin geeignete Zu- und Abströmkanäle, Dichtungs-, Lagerungs-, und Auslegungssysteme zu entwickeln. Aus den beschriebenen Anforderungen lassen sich folgende Arbeitspakete/Projektziele ableiten: 1. Thermodynamische und mechanische Entwicklung von Einwellen-Radialverdichter-Laufrädern für sehr kleine Lieferzahlen zur Verdichtung hoch kompressibler, schwerer, korrosiver Gase. 2. Entwicklung von beschaufelten axialen und radialen Einström- und Abström-Kanälen für sehr kleine Lieferzahlen in Einwellen-Radialverdichtern zur Verdichtung hoch kompressibler, schwerer, korrosiver Gase für sehr kleine Lieferzahlen. 3. Entwicklung von Dichtungs- und Lagersystemen für drehzahlvariable Rotoren von Einwellen- Radialverdichtern zur Verdichtung hoch kompressibler, schwerer, korrosiver Gase. 4. Entwicklung eines Expertensystems zur Prüfung des mechanischen Designs und der Baubarkeit von Hochdruck-Einwellen-Radialverdichtern.
Das Projekt "Teilvorhaben 1.1.2 Aerodynamische und strukturmechanische Optimierung der Randbereiche subsonischer Verdichterbeschaufelungen unter Berücksichtigung der Schaufelinteraktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Ziel des Projektes ist eine Verbesserung der Strömung im Randbereich der Beschaufelung eines Axialverdichters. Im Rahmen des Projektes soll mittels numerischer Simulationen die Geometrie der Schaufelrandschnitte sowie der Kanalkontur derart optimiert werden, dass Anforderungen hinsichtlich Effizienz und Arbeitsbereich bestmöglich erfüllt werden. Basierend auf den wertvollen Erkenntnissen des COORETEC-turbo Projektes 1.2.1 sollen im Rahmen dieses Projektes die Untersuchungen wesentlich erweitert werden. Insbesondere sollen nun auch die Nabenschnitte der Rotorbeschaufelung sowie die Statorgeometrie mit in die Optimierung einbezogen werden. Zudem ist eine wesentlich stärkere Berücksichtigung des Off-Designverhaltens bei der Optimierung vorgesehen. Im ersten Arbeitspaket soll eine Anpassung und vollständige Validierung des CFD-Modells hinsichtlich der Anforderungen einer automatischen Optimierung durchgeführt werden. Daran anschließend wird anhand eines einfachen Testfalls die Optimierungskette geprüft. Im folgenden Arbeitspaket erfolgt die Optimierung einer hinteren Verdichterstufe bei Design-Punkt Randbedingungen. Im vierten Arbeitspaket wird eine 'Multipoint-Multidisziplin-Mehrstufen-Optimierung' durchgeführt. Damit wird neben der Verbesserung des Wirkungsgrades im Design-Punkt die Stabilität mit in die Optimierung einbezogen. Abschließend werden Designregeln erarbeitet, die eine Übertragung der Modifikationen auf ähnliche Konfigurationen ermöglicht.
Das Projekt "Entwicklung einer transsonischen Prozessverdichterfamilie für CO2-freie Stromerzeugungsprozesse und zukünftige Kraftstofferzeugungsprozesse (Transsonischer Prozessverdichter II)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Turbo AG durchgeführt. Entwicklung einer Familie von transsonischen Prozessverdichtern, die für die hocheffiziente Verdichtung großer Luftmengen in Kraftwerken mit CO2-Abscheidung und in zukünftigen Prozessen zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse (BTL), Kohle (CTL) und Erdgas (GTL) benötigt werden. Konstruktion, Bau und Test a) eines transsonischen Niederdruck-Axialverdichter-Versuchsträgers; b) eines transsonischen Hochdruck-Axialverdichter-Versuchsträgers; c) als Axialfolgestufen geeigneter Radialverdichter-Testsstufen. Umsetzung dieser Ergebnisse in die Grundlagen-Entwicklung einer transsonischen Prozessverdichterfamilie. Die zu entwickelnde Prozessverdichterfamilie soll ab der nächsten Dekade wesentlich dazu beitragen, die großen Luftmengen, die in CO2-Abscheideprozessen in Kraftwerken und in Prozessen zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe benötigt werden, energieoptimiert zu verdichten und so den Wirkungsgrad dieser Prozesse zu erhöhen. Der Luftverdichtung als Teilprozess mit dem höchsten Energiebedarf innerhalb dieser Gesamtprozesse kommt hier besondere Bedeutung zu.
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