Das Projekt "1.3.3c Optimierte Radialkompressoren für den flexiblen und CO2-reduzierten Kraftwerksbetrieb" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. Um den thermischen Wirkungsgrad einer Gasturbine zu steigern, werden immer höhere Verdichtungsverhältnisse gewählt und die Komponentenwirkungsgrade müssen sich weiter steigern. Bei stationären Gasturbinen werden Verdichtungsverhältnisse über 40, bei Fluggasturbinen bis über 50 angestrebt. Es ist daher notwendig, robuste Verdichter zu entwickeln, die über einen möglichst breiten Arbeitsbereich hohe Wirkungsgrade erzielen. Die Arbeiten im Bereich Verdichtung verteilen sich auf die drei Vorhabensgruppen 'Effizienzsteigerung', 'Betriebsflexibilität/Teillaststabilität' sowie 'Robustes Design und Multidisziplinäre Auslegung'.
Das Projekt "1.3.3b Optimierte Radialkompressoren für den flexiblen und CO2-reduzierten Kraftwerksbetrieb" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen durchgeführt. Dieses Vorhaben wird im Rahmen des Verbundvorhabens COOREFLEX-turbo beantragt und soll zu einem sicheren und hocheffizienten Betrieb von Radialverdichtern bei erweitertem Teillastbetrieb sowie beschleunigten Laständerungsgeschwindigkeiten beitragen. Wirkungsgradsteigerungen insbesondere im Teillastbetrieb der Kompressoren tragen zu Ressourcenschonung und Umweltverträglichkeit der gesamten Anlage bei. Zielsetzung ist die Erlangung eines tiefer greifenden Verständnisses der Strömungsphänomene in Radialverdichtern mit Rückführung, wie sie in mehrstufigen, einwelligen Prozessgasverdichtern verwendet werden. Diese Stufen bestehen neben dem Laufrad und Diffusor aus einem dem Diffusor nachfolgenden Rückführkanal, der sich aus einer 180°-Umlenkung und einem beschaufelten Rückführkanal zusammensetzt, über welchen das Fluid der nächsten Stufe zuführt wird. Im Rahmen des Projektes sollen experimentelle und numerische Untersuchungen an einer solchen Stufe durchgeführt werden. Der aerodynamische Einfluss einer veränderten Geometrie des Diffusionssystems durch einen verringerten Außendurchmesser des Diffusors steht hier im Fokus der Untersuchung. Eine Verringerung des Diffusoraustrittsdurchmessers ermöglicht eine kompaktere und kostengünstigere Bauweise der Kompressoren. Die aerodynamischen Effekte lassen sich aufgrund der komplexen Strömung allerdings nur unzureichend numerisch vorhersagen. Daher soll in diesem Vorhaben eine experimentelle Referenz zur Validierung geschaffen werden. Die erhaltenen Erkenntnisse stellen damit die Basis für die Weiterentwicklung von Prozessverdichtern zu höheren Wirkungsgraden und verbessertem Betriebsverhalten dar.
Das Projekt "1.3.3a Optimierte Radialkompressoren für den flexiblen und CO2-reduzierten Kraftwerksbetrieb" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. Dieses Vorhaben wird im Rahmen des Verbundvorhabens COOREFLEX-turbo beantragt und soll zu einem sicheren und hocheffizienten Betrieb von Radialverdichtern bei erweitertem Teillastbetrieb sowie beschleunigten Laständerungsgeschwindigkeiten beitragen. Wirkungsgradsteigerungen insbesondere im Teillastbetrieb der Kompressoren tragen zu Ressourcenschonung und Umweltverträglichkeit der gesamten Anlage bei. Zielsetzung ist die Erlangung eines tiefer greifenden Verständnisses der Strömungsphänome in Radialverdichtern und Rückführung der Erkenntnisse in den thermodynamischen und regelungstechnischen Auslegungsprozess. Basierend auf diesen neuen Erkenntnissen soll eine neue Verdichterstufe entwickelt und bei MAN getestet werden. Zwecks schnellerer thermodynamischer Auslegung wird ein automatisiertes thermodynamisches Entwicklungstool erstellt. Im Arbeitspaket AP2000 bis AP4000 werden auf dem Prüfstand in Aachen Stufen mit verschiedenem Nabenverhältnis DND2=0.30 und verschiedenem Diffuserverhältnis mittels Standard- und optischer Messtechnik vermessen. Parallel zu den Messungen wird eine Validierung CFD durchgeführt. Im Arbeitspaket AP5000 wird eine neue Verdichterstufe wird mittels einer modernen Toolkette entwickelt, gefertigt und getestet. Im Arbeitspaket AP6000 sollen Abbildungen von realen Verdichter-Betriebsdaten auf das Designmodell entwickelt werden, während in AP7000 ein bei MDT vorhandenes automatisches Optimierungsprogramm zwecks off-design-Optimierung erweitert wird.
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 "Teilprojekt 1.2.13: Untersuchung der Strömung in Radseitenräumen von Radialverdichtern bei anwendungsnahen Randbedingungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg-Essen, Institut für Energie und Umweltverfahrenstechnik, Lehrstuhl für Strömungsmaschinen durchgeführt. Um den thermischen Wirkungsgrad einer Gasturbine zu steigern, werden immer höhere Verdichtungsverhältnisse gewählt und die Komponentenwirkungsgrade müssen sich weiter steigern. Bei stationären Gasturbinen werden Verdichtungsverhältnisse über 40, bei Fluggasturbinen bis über 50 angestrebt. Es ist daher notwendig, robuste Verdichter zu entwickeln, die über einen möglichst breiten Arbeitsbereich hohe Wirkungsgrade erzielen. Die Arbeiten im Bereich Verdichtung verteilen sich auf die drei Vorhabensgruppen 'Effizienzsteigerung', 'Betriebsflexibilität/Teillaststabilität' sowie 'Robustes Design und Multidisziplinäre Auslegung'.
Das Projekt "Teilverbundprojekt Verdichtung und Expansion, Vorhaben-Gruppe 1.1.5, Vorhaben Optimierung von transsonischen Verdichterstufen mit Gehäuseeinbauten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Antriebstechnik durchgeführt. Dieses Vorhaben ist Bestandteil des Verbundprojektes COORETEC-turbo. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Strategien zur Verwendung der automatischen Optimierung für komplette Verdichterstufen (Blattgeometrien + Strömungskanal + Gehäuseeinbauten) unter Beachtung der Einsatzbedingungen für vielstufige Axialverdichter und Radialverdichter. Hierbei sollten die transsonischen Frontstufen das höchste Verbesserungspotential besitzen. Das Vorhaben ist in zwei Teilbereiche unterteilt: T1 rotationssymmetrische Gehäuseeinbauten: a) Parametrisierung und Vernetzung CT b) Anbindung der Umfangsnuten an AutoOptic. Automatisches Anfahren der Pumpgrenze im DLR RANS-Code TRACE (stationär). Die in diesem Projekt entwickelten Programm-Module werden den Industriepartnern zu marktüblichen Entgelten zur Verfügung gestellt.
Das Projekt "1.3.9 Erweiterung der Betriebsbereichsgrenzen von radialen Gasverdichtern für flexible Energiespeicheranwendungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen University, Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen durchgeführt. Das Vorhaben hat das Ziel, die Kennfeldbreite von Radialverdichtern zu verbessern und damit für die Anwendung mit zeitlich veränderlichen Betriebsbedingungen zu optimieren. Solche Anforderungen gewinnen zunehmend an Bedeutung, beispielsweise für Erdgas- und Wasserstoffsspeicher oder für Druckluftspeicherkraftwerke, die in der Lage sind, überschüssige regenerativ erzeugte elektrische Energie z.B. aus der Windkraft in Form von Druckluft zwischen zu speichern. Die wissenschaftliche Vorgehensweise im Projekt umfasst die aerodynamische Auslegung, numerische Analyse und die experimentelle Verifizierung von verbesserten Diffusorbeschaufelungen unter Anwendung von 3D-Gestaltungselementen. In der ersten Phase des Vorhabens wird ein Standard-Design experimentell und numerisch analysiert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden in der zweiten Phase zwei optimierte Diffusor-Designs abgeleitet und ebenfalls experimentell untersucht. Als wesentliches Ergebnis der Forschungsarbeiten werden Erkenntnisse zur Auslegung und zur Anwendung modifizierter Diffusorbeschaufelungen zur Erweiterung des Betriebsbereichs von Radialverdichterstufen erwartet. Nach der Vermessung des Kennfeldes des Radialverdichters mit einem Basisdesigndiffusor wird der bestehende Prüfstand mit instationärer Messtechnik (Wanddrücke und traversierbare Sonden) aufgerüstet. Im Anschluss wird das Strömungsfeld im Basisdesigndiffusor nahe der Stabilitätsgrenze in mehreren Betriebspunkten vermessen. Anhand der Kennfeldmessungen wird das numerische Modell validiert und anschließend die Betriebspunkte nahe der Stabilitätsgrenze ebenfalls numerisch analysiert. Aus den experimentellen und numerischen Erkenntnissen werden Designänderungen für den Diffusor erarbeitet und umgesetzt. Die Designänderungen werden im Prüfstand nahe der Stabilitätsgrenze experimentell vermessen sowie numerisch analysiert. Aus diesen Ergebnissen erfolgt die Ableitung von Design Guidelines für Radialdiffusoren mit dem Ziel der Kennfeldverbreiterung.
Das Projekt "Experimentelle und numerische Auslegung und Untersuchung von modernen Diffusor-Beschaufelungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. Dieses Vorhaben wird im Rahmen des Verbundvorhabens COOREFLEX-turbo beantragt und soll zu einem sicheren und hocheffizienten Betrieb von Radialverdichtern, bei erweitertem Teillastbetrieb sowie beschleunigten Laständerungsgeschwindigkeiten, beitragen. Wirkungsgradsteigerungen, insbesondere im Teillastbetrieb der Kompressoren, tragen zu Ressourcenschonung und Umweltverträglichkeit der gesamten Anlage bei. Zielsetzung ist die Verbesserung der aerodynamischen Verdichterperformance durch numerische Optimierung eines beschaufelten Diffusors und experimentelle Validierung. Zusätzliche detaillierte optische Messungen an dem beschaufelten Diffusor dienen der experimentellen Erfassung komplexer strömungsmechanischer Phänomene und somit der Validierung der numerischen Tools. Arbeitspaket AP2000 beinhaltet die generelle Untersuchung von modernen Diffusorbeschaufelungstypen. Neben Low-Solidity-Diffusoren werden auch Tandem-Diffusoren untersucht. Arbeitspaket 3000 umfasst die aerodynamische Neu-Auslegung zweier Diffusorbeschaufelungen mittels moderner CFD-Software. Zusätzlich wird eine Schwingungs-Analyse durchgeführt, um Schaufelschwingungsbrüche zu vermeiden. Das Arbeitspaket AP4000 beinhaltet die Konstruktion und Fertigung der Prüfstandskomponenten. Das Arbeitspaket AP5000 behandelt den Versuchsaufbau und die Standardmessungen der neuen Diffusorbeschaufelungen. Im Arbeitspaket AP6000 wird der Verdichter mittels optischer Messtechnik detailliert untersucht. Arbeitspaket AP7000 umfasst die Validierung von CFD.
Das Projekt "Experimentelle und numerische Untersuchung der Radseitenraumkonturierung in Radialkompressoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird die Wirkungsweise einer Radseitenraumkonturierung in einem Radialkompressor experimentell untersucht; die Ergebnisse werden durch begleitende numerische CFD-Rechnungen validiert. Die Gegenüberstellung von Messung und Simulation zeigt dabei Möglichkeiten der rechnerischen Vorhersagbarkeit von Radseitenraumkonturierungen, aber auch ihre Grenzen auf. Gesamtziel des Vorhabens ist, die Strömung durch den Radseitenraum im Betrieb mit Drallbrechern und ohne Drallbrecher experimentell zu analysieren, um den Einsatzbereich der Radialkompressoren sowohl bezüglich der Rotordynamik als auch Aerodynamik zu erweitern und somit leistungsfähigere Kompressoren für einen flexibleren Einsatz in modernen Kraftwerksanwendungen mit CO2-Abscheidung zu ermöglichen. Arbeitspaket AP1000 beinhaltet die Konzeptstudie, das Arbeitspaket AP2000 betrachtet die numerische Untersuchung der Radseitenraumkonturierung, das Arbeitspaket AP3000 umfasst die aerodynamische und mechanische Auslegung der Prüfstandskomponenten, das Arbeitspaket AP4000 betrifft die Konstruktion der Prüfstandkomponenten, im Arbeitspaket AP5000 werden die Prüfstandskomponenten gefertigt, im Arbeitspaket AP6000 werden die Prüfstandskomponenten aufgebaut und instrumentiert, das Arbeitspaket AP7000 behandelt die experimentellen Untersuchungen, im Arbeitspaket AP8000 werden die experimentellen und numerischen Ergebnisse gegenübergestellt, im Arbeitspaket AP9000 findet die Industrialisierung statt.
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