Mittels CFD-Simulationen kann die Performance einer Kreiselpumpe (Förderhöhe, Wirkungsgrad, NPSH in Abhängigkeit des Volumenstroms) für den Auslegungspunkt und kleinen Abweichungen von ihm in der Regel gut ermittelt werden. Mit zunehmenden Abweichungen vom Auslegungspunkt nimmt die Qualität der CFD-Simulation ab, d.h. dass die Unterscheide zwischen CFD-Daten und Messergebnissen zunehmen. In diesem Teilprojekt soll mittels einer KI-Anwendung diese mangelnde Qualität der CFD-Ergebnisse für den Teil- und Überlastbereich kompensiert werden. Dazu sollen bereits vorhandene CFD-Daten und Ergebnisse von Performance-Messungen an Kreiselpumpen genutzt werden, um eine KI-Anwendung zu trainieren. Zusätzliche Ergebnisse von CFD-Simulationen und Performance-Messungen an Kreiselpumpen sollen im Projekt durchgeführt werden und fehlende Trainingsdaten geeignet ersetzen. Nach Beendigung des Trainingsprozesses soll eine KI-Anwendung zur Verfügung stehen, die es ermöglicht, auch für den extremen Teil- und Überlastbereich Kennlinien mit einer hohen Qualität zu erhalten. Die Forschungsfragen, die sich bezüglich dieser Zielsetzungen ergeben, beinhalten die Auswahl und Aufbereitung von CFD-Daten und Ergebnissen von Performance-Messungen. Im Teillastbereich nimmt die Komplexität der Strömungsphänomene erheblich zu und es können die sogenannten Kennlinienstabilitäten auftreten, die für Gliedergehäuse- und Spiralgehäusepumpen einen unterschiedlichen Charakter besitzen, was bei der KI-Anwendung berücksichtigt werden muss. Die KI-Anwendung entspricht einem Deep Learning Ansatz bestehend aus einem neuronalen Netz, dessen Topologie geeignet gewählt werden muss. Dazu gehört die Festlegung der Knoten der Eingangsschicht, die Anzahl der 'Hidden Layers' und die Anzahl der jeweiligen Knoten der 'Hidden Layers'. Die Knoten der Ausgangsschicht bestimmen die Auflösung der resultierenden Kennlinie. Die KI-Anwendung soll mit der institutseigenen Software Deep-SAM-Learning (D-SAM-L) entwickelt werden.
Ziel der Entwicklung stark flexibel operierender Pumpensysteme für hohe Druckverhältnisse, Temperatur- und Mengenschwankungen ist es, die Anforderungen an Pumpensysteme für stark schwankende Betriebsbedingungen hinsichtlich der Erhöhung ihrer Flexibilität bei gleichzeitiger Steigerung des Teillastwirkungsgrades und unter Beibehalt oder Erhöhung ihrer Lebensdauer abzuleiten. Diese Anforderungen sind durch die Entwicklung hochflexibel betreibbarer Pumpensysteme umzusetzen. Derartige flexible Pumpensysteme werden bspw. in Dampfkraftwerken (für Komponenten im Wasser-Dampf-Kreislauf und im Kühlkreislauf, aber auch in vor- und nachgeschalteten Prozesskreisläufen) sowie in chemischen und verfahrenstechnischen Prozessen mit hydraulischen Kreisläufen benötigt. In den Kreiselpumpen dieser Systeme entsteht durch die Druckerhöhung über die Laufräder ein Axialschub auf den Rotor, welcher i.d.R. durch Axialschub-Entlastungseinrichtungen reduziert werden muss, um Axiallager zu entlasten. Der Einfluss von Axialschub-Entlastungseinrichtungen auf die Rotordynamik der Pumpe, welcher insbesondere bei flexiblem Betrieb eine wesentliche Rolle spielen kann, ist jedoch weitgehend unerforscht. In flexibel operierenden Pumpensystemen erfahren drehzahlgeregelte Pumpen Anregungen der Struktur mit der Drehfrequenz und ihren Vielfachen über einen ausgedehnten Frequenzbereich. Resonanzen in diesem breiten Drehzahlbereich können leicht zum Ausfall der Maschine und des Systems führen, weswegen sie zwingend zu vermeiden sind. Dafür ist insbesondere auch die sichere Kenntnis der rotordynamischen Koeffizienten von Axialschub-Entlastungseinrichtungen notwendig, die in diesem Teilprojekt untersucht werden. Dafür wird ein spezieller Prüfstand erweitert und Axialschub-Entlastungseinrichtungen experimentell untersucht. Außerdem werden Simulationen der Spaltströmung durchgeführt.
The energy sector accounts for two thirds of the global CO2 emissions and is therefore crucial to ensure future green growth and to achieve the global emission reduction targets. Substantial reduction of CO2 emissions can only be achieved by large scale deployment of renewable energy sources, including in particular the most abundant energy sources, wind and sun. Their intermittent nature however poses significant challenges for the energy system as peak demand from the system and peak production form those intermittent sources do not overlap. As there are no large scale storage solutions available yet, other backup capacities are needed. The installed fossil capacity is large enough to provide this back-up power. However, the plants were designed for baseload operation, which results in increased wear and costs through cyclic operation and unnecessarily high emissions in the start-up phase.
Providing technology upgrades to retrofit the installed power plants to enable flexible operation without penalties on life, cost and emissions is an opportunity to quickly provide the necessary backup capacity to keep the energy system stable and resilient and at the same time enabling higher renewable shares.
TURBO-REFLEX will follow this approach and has selected technologies for retrofitting critical parts of thermal power plants which have already seen experimental proof-of-concept and are expected to significantly contribute to flexible operation. The technologies will reduce the minimum load, increase the ramp rates and reduce the costs per cycle. This will be achieved by new compressor designs for off-design operability, technologies in the hot gas path, in combustor and turbine, and by new materials, models and sensors to monitor and ensure the mechanical integrity in flexible operation. An integrated assessment will provide not only the technological but also the economic benefits for plant operators, thus ensuring a swift implementation of TURBO-REFLEX technologies.
Vision-2020, whose objectives include the reduction of emissions and a more effective transport systems, puts severe demands on aircraft velocity and weight. These require an increased load on wings and aero-engine components. The greening of air transport systems means a reduction of drag and losses, which can be obtained by keeping laminar boundary layers on external and internal airplane parts. Increased loads make supersonic flow velocities more prevalent and are inherently connected to the appearance of shock waves, which in turn may interact with a laminar boundary layer. Such an interaction can quickly cause flow separation, which is highly detrimental to aircraft performance, and poses a threat to safety. In order to diminish the shock induced separation, the boundary layer at the point of interaction should be turbulent. The main objective of the TFAST project is to study the effect of transition location on the structure of interaction. The main question is how close the induced transition may be to the shock wave while still maintaining a typical turbulent character of interaction. The main study cases - shock waves on wings/profiles, turbine and compressor blades and supersonic intake flows - will help to answer open questions posed by the aeronautics industry and to tackle more complex applications. In addition to basic flow configurations, transition control methods (stream-wise vortex generators and electro-hydrodynamic actuators) will be investigated for controlling transition location, interaction induced separation and inherent flow unsteadiness. TFAST for the first time will provide a characterization and selection of appropriate flow control methods for transition induction as well as physical models of these devices. Emphasis will be placed on closely coupled experiments and numerical investigations to overcome weaknesses in both approaches.
Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist die numerische Untersuchung der Ausbildung von Oberflächenwirbeln in unmittelbarer Nähe von Pumpeneinlaufstutzen. Diese Art von Wirbeln stellt die Hauptursache von unerwünschtem Gaseintrag in Pumpen dar, die zu Leistungseinbrüchen und Schädigungen der Pumpen führen kann. Unter Verwendung von heutzutage kommerziell erhältlichen CFD-Codes sollen hierzu im Rahmen des Forschungsverbundes von der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) durchgeführte Experimente nachgerechnet werden. Dies ermöglicht, die Codes gegen dann verfügbare experimentelle Daten mit einer hohen zeitlichen sowie räumlichen Auflösung zu validieren. Das Vorhaben leistet einen Beitrag zur Aus- und Weiterbildung der nächsten Generation von Sachverständigen im Bereich Strömungssimulation und fördert so den Kompetenzerhalt in der Kerntechnik. Wir werden die TUHH auf Basis einer eigenen Literaturrecherche zu Auslegungsempfehlungen und Experimenten bei der Auslegung ihres Experimentes sowie beim Aufstellen der Testmatrizen unterstützen. Die experimentelle Ergebnisse nutzen wir zur Entwicklung und Validierung von Modellen für CFD Codes und leiten dann hiermit in einem erweiterten Gültigkeitsbereich verbesserte Auslegungsempfehlungen für Pumpeneinläufe ab. Des Weiteren werden wir Empfehlungen für die Übertragung von skalierten Versuchen auf die Originalgeometrie absichern und den Luftmitriss bei Unterschreiten der kritischen Wasserüberdeckung quantifizieren.