Das Projekt "Nr. 4.3.6 Thermisches und mechanisches Verhalten von Turbinengehäusen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Professur für thermische Energiemaschinen und -anlagen durchgeführt. Auf Grund ihrer modularen Bauweise weisen Industriedampfturbinen zwischen ihren Leitgitterträgern und dem Außengehäuse dampfgefüllte Seitenräume auf. Das Fluid in diesen Umfangskavitäten mit T- oder L-förmigen Querschnitt wird durch die äußere Hauptströmung (Ringspaltströmung) angetrieben. Die sich ausbildenden mehrdimensionalen Wirbelstrukturen, die durch mögliche Dampfanzapfungen, -entnahmen oder -einkopplungen noch zusätzlich beeinflusst werden können, bestimmen das Wärmeübergangsverhalten zwischen Fluid und Außenwand. Mischkonvektion führt in diesen Bereichen zur ungleichmäßigen Aufheizung des Außengehäuses. Vor allem im instationären sowie im Teillastbetrieb haben die damit verbunden thermischen Gehäuseverformungen starken Einfluss auf die Teilfugendichtheit sowie auf die Radialspiele zwischen Rotor und Stator. Um das thermomechanische Verhalten des Gehäuses bereits im Auslegungsprozess für verschiedene Lastfälle zuverlässig und effektiv mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) vorherzusagen und entsprechend zu optimieren, reicht der Wissensstand zum Wärmeübergang in den Seitenräumen nicht aus. Aus diesem Grund wird in Zusammenarbeit mit der Siemens AG ein druckluftbetriebener, skalierter Versuchsstand entwickelt und am Zentrum für Energietechnik der TU Dresden errichtet. Mit der modularen, größenverstellbaren Versuchsanordnung sind systematische Untersuchungen zum Wärmeübergang in repräsentativen Seitenräumen in Abhängigkeit von deren Geometrie und von den Strömungsverhältnissen (Reynolds-Zahl, Drall) in der Hauptströmung möglich. Für die Messung der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten entlang der Innenoberfläche der Seitenraumaußenwand kommen gleichzeitig zwei verschiedene, rückwirkungsarme Messverfahren mit nur sehr geringem Wärmeeintrag in das System zur Anwendung: die stationäre inverse Methode sowie die lokale Übertemperaturmethode. Parallel erfolgt die Nachrechnung ausgewählter Fälle mittels numerischer Strömungssimulation (CFD), mit der die experimentellen Ergebnisse verglichen werden. Neben der weiteren Qualifikation der verwendeten Messmethoden zur Bestimmung von Wärmeübergangkoeffizienten für ähnliche Aufgabenstellungen sowie für industrierelevante Anwendungen besteht das Ziel der Untersuchungen in der Entwicklung allgemein gültiger Ansätze (Aufstellen von NUSSELT-Korrelationen) und damit in der Erweiterung des Wissensstandes für den Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinengehäusen sowie in Kavitäten allgemein. Durch Einpflegen der Ergebnisse als thermische Randbedingungen in die FEM-Berechnung werden die Vorhersagequalität des thermomechanischen Verhaltens im instationären Betrieb und damit die Lastflexibilität von Industriedampfturbinen verbessert und Optimierungspotentiale bei der Gehäusegestaltung aufgezeigt.
Das Projekt "Generierung pulsierender Prallstrahlen zur Erhöhung der Kühleffektivität im Turbinengehäuse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe durchgeführt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen Gehäusekonfigurationen für Hochdruckturbinen entworfen werden, in denen durch periodisch instationäre Prallstrahlen die Kühleffektivität am Turbinengehäuse verbessert ist. Die periodische Pulsation der Prallstrahlen soll dabei ohne zusätzliche Aktorik erzeugt werden. Grundlegende Untersuchungen haben gezeigt, dass periodisch instationäre Prallstrahlen bei ausreichend hoher Pulsationsamplitude die Kühleffektivität signifikant erhöhen können. Auf der Basis numerischer Strömungsberechnungen sollen zunächst geeignete Gehäusegeometrien entworfen werden, die dann hinsichtlich ihres Potenzials, pulsierende Prallstrahlen zu erzeugen, experimentell untersucht werden. Das Forschungsvorhaben trägt zu den förderpolitischen Zielen von AG Turbo 2020 und den förderpolitischen Zielen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung bei, da durch eine Erhöhung der Kühleffektivität Kühlluft eingespart werden kann und somit als Folge der Systemwirkung der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine erhöht wird. Ein erhöhter Gesamtwirkungsgrad resultiert in einer Reduktion des Treibstoffverbrauchs und der Kohlendioxidemissionen.