Das Projekt "Teilvorhaben 4.3.2.A: Dämpfung bei langen Niederdruckendstufenschaufeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ALSTOM Power Generation Aktiengesellschaft durchgeführt.
Das Projekt "Nr. 4.1.11 Analyse des Schwingungsverhaltens unterschiedlich gekoppelter drehzahlvariabler Turbinen-Schaufeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Diesel & Turbo SE durchgeführt. Das Vorhaben hat zum Ziel, in einem kombinierten experimentellen/theoretischen Ansatz das Schwingungsverhalten drehzahlvariabler Beschaufelungen, die durch Deckbänder gekoppelt sind, zu untersuchen. Derartige Kopplungen erfordern die Beschreibung der Kontaktbedingungen, da diese erheblichen Einfluss auf die Schwingungsamplituden und Frequenzlage der Schaufeln haben. Hinzu kommt, dass sich bei variabler Drehzahl und im Teillastbereich die Stärke der Kopplung, die über ein Deckband eingebracht wird, aufgrund drehzahlabhängiger Vorspannungen deutlich ändern kann. Da es zu diesen variablen Betriebsbedingungen nahezu keine Versuchsergebnisse gibt, soll ein Schwerpunkt des Vorhabens die experimentelle Untersuchung des Schwingungsverhaltens von zwei Deckbandschaufelgeometrien zum einen im rotierenden System bei variablen Drehzahlen und zum anderen im Standversuch sein. Die Versuchsträger werden vom Industriepartner zur Verfügung gestellt. Hierzu gehört auch die Untersuchung der sich unter Rotation einstellenden Kontaktbedingungen während des Schließvorgangs. Begleitet werden die Experimente von Simulationen, für die bestehende, an der Forschungsstelle entwickelte Software, erweitert werden soll. Die Arbeitspakete sind in der Langfassung des Antrages ausführlich beschrieben. Sie umfassen aufeinander aufbauend u.a. die Entwicklung mechanischer Modelle und numerischer Verfahren.
Das Projekt "3.3.4b: Analyseverfahren moderner Gasturbinenkühlung unter flexibler Last - Theorie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen durchgeführt. Im Rahmen dieses Vorhabens sollen ausgewählte, technisch relevante Konfigurationen von konvektionsgekühlten Turbinenschaufeln sowie einzelne Abschnitte des Kühlsystems numerisch und experimentell untersucht werden. Zusammen mit den experimentellen Ergebnissen (Vorhaben 3.3.4 a) lassen sich diese Konfigurationen im Detail untersuchen. Die dabei auftretenden Phänomene und Mechanismen können analysiert und quantifiziert werden. Auf Basis dessen kann als Umsetzung der Erkenntnisse ein Auslegungsverfahren für konvektive Kühlsysteme entwickelt und für einen weiten Bereich von Heißgas- und Kühlluftzuständen validiert werden. Zum detaillierten Verständnis des Einflusses dreidimensionaler Strömungseffekte auf den Wärmeübergang werden konjugierte Rechnungen durchgeführt. Im ersten Schritt werden begleitend zu den Messungen am Kaltluftkanal (3.3.4 b) konjugierte Rechnungen durchgeführt mit deren Hilfe der Einfluss der Modellierung der turbulenten Strömung und des turbulenten Wärmeübergangs untersucht wird. Im zweiten Schritt werden weitere konjugierte Rechnungen ergänzend zu den Experimenten am Heißgasgitterprüfstand (3.3.4 b) durchgeführt, bei welchen der Einfluss von Sekundärströmungen, Transition und Strahlung bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen untersucht werden. Des Weiteren wird mit Hilfe eines zweidimensionalen FEM-Berechnungsmoduls eine robuste Methode bereitgestellt, welche eine schnelle und präzise Vorauslegungen neuer Kühlsystemgeometrien ermöglicht.
Das Projekt "Untersuchungen zur Abscheidung von Aerosolen/Alkaliresiduen im Rauchgas einer Druckkohlenstaubfeuerung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg, Institut für Energie- und Umwelttechnik durchgeführt. Die Verbrennung von Kohle unter hohem Druck ermöglicht es, ähnlich dem GuD-Prozess, das Rauchgas über eine Gasturbine zu entspannen und somit den Wirkungsgrad der Kohleverbrennung signifikant zu steigern. Probleme bereiten die mit Aschepartikeln und Alkaliresiduen behafteten heißen Rauchgase. Das derzeitig erreichbare Konzentrationsniveau an Partikeln bzw. bestimmten Gasinhaltsstoffen erfüllt jedoch noch nicht die Kriterien der Turbinenhersteller zur Vermeidung einer Schädigung oder sogar Zerstörung der Turbinenschaufeln. Ziel des von Seiten des Ministeriums für Schule, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen geförderten Projektes ist es daher, durch theoretische Parameterstudien zusammen mit einer Simulation der aerosoldynamischen Vorgänge in der Brennkammer und den nachgeschalteten Gasreinigungsstufen, nach Möglichkeiten der Gasreinigung zu suchen, die den Wirkungsgrad des Prozesses nur geringfügig oder in vertretbarem Maße reduzieren. Hierbei wird, ausgehend von der Modellierung der Partikelabscheidung an einer Einzelkugel, die bestehende Rauchgasreinigung an der Versuchsanlage der Steag AG in Dorsten untersucht und nach Ansätzen gesucht, diese um weitere Maßnahmen zur Reinigung des Rauchgases speziell von submikronen Partikeln zu ergänzen. Die Modellierung erfolgt mit Hilfe des cfd-Programms Fluent.
Das Projekt "Optimierung von gekuehlten Turbinenschaufeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen, Institut für Energiemaschinen und Maschinenlabor durchgeführt. An die Schaufeln moderner Gasturbinen und Flugtriebwerke werden hohe Anforderungen hinsichtlich Stroemungswirkungsgrad und Lebensdauer gestellt. Zur Erzielung eines hohen Anlagenwirkungsgrades bei gleichzeitiger starker Reduzierung der Abgasschadstoffe steht auf Grund des Einsatzes NOx-arm verbrennender Brennkammern ausserdem staendig weniger Kuehlluft bei steigender Turbineneintrittstemperatur zur Verfuegung. Die Konstruktion einer solchen Schaufel erfordert also die komplexe Beruecksichtigung der Anforderungen aus den Ingenieurdisziplinen Stroemungsmechanik, Thermodynamik und Technische Mechanik. Da fuer die einzelnen Designschritte Auslegungsalgorithmen bestehen oder bekannt sind, ist es durch den erreichten Stand der Rechentechnik moeglich geworden, eine Optimierung der Gesamtkonstruktion unter Einbeziehung von Restriktionen physikalischer, fertigungstechnischer und oekonomischer Art vorzunehmen. In dieser Forschungsarbeit wird dies unter Anpassung ausgereifter Berechnungsalgorithmen an das parametrisierte Vorgehen bei der Beschreibung und Loesung des Optimierungsproblems am Beispiel eines gekuehlten Gasturbinenschaufelschnittes getan. Ziel ist dabei das Entwerfen eines Schaufelprofils mit minimalem Umstroemungsverlust und minimalem Kuehlmittelbedarf unter Einhaltung maximal zulaessiger Temperatur- und Beanspruchungswerte.
Das Projekt "Vorhaben-Gruppe 4.1.5, Optimierung von linearen Simulationstechniken für die aeroelastische Auslegung gekoppelter Turbinenschaufeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Antriebstechnik durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung effizienter Rechenmethoden auf der Basis der linearisierten Navier-Stokes-Gleichungen. Eine große Herausforderung liegt in der Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit durch korrekte Auflösung der Geometrie einschließlich von Deckplatten und Snubbern. Dies ist mit vertretbarem Anwenderaufwand nur unter Verwendung unstrukturierter Gitternetze möglich. Ziele sind also sowohl die Genauigkeitssteigerung als auch eine erheblich Reduktion von Durchlaufzeiten gegenüber aktueller Auslegungsmethoden. Damit erst wird die numerische Abschätzung elastischer Anregungen von Turbinenschaufeln im industriellen Auslegungsprozess in immer kürzeren Designzyklen möglich. Die aero-mechanische Belastung der Turbinenschaufeln insbesondere durch Flattern muss daher immer mehr als Begrenzungsfaktor gesehen werden und bereits beim Entwurf der Schaufeln berücksichtigt werden, insbesondere bei verschiedenen Betriebszuständen. Hauptanforderungen sind neben der Vorhersage-Genauigkeit eine geringe Durchlaufzeit in der Rechnungsvorbereitung/-auswertung sowie geringe Rechenzeiten, um eine Vielzahl von Betriebspunkten im Design-Prozess bewerten zu können. Der Schwerpunkt dieses Projektes liegt in der Entwicklung und Erprobung eines Lösungsalgorithmus für unstrukturierte Gitternetze auf der Basis der linearisierten Navier-Stokes-Gleichungen, um die Durchlaufzeiten bei der Auslegung von Turbinenschaufeln zu reduzieren. Unstrukturierte Gitternetze kommen insbesondere bei der Vernetzung komplexer Schaufelgeometrien (Snubber, Deckbänder, etc.) zum Einsatz. Dadurch entfällt die bei blockstrukturierter Vernetzung manuell vorzunehmende Idealisierung des Rechengebiets. Außerdem erhöht die Berücksichtigung von geometrischen Details die Genauigkeit der Simulation. Lineare Lösungsverfahren ermöglichen extrem kurze Antwortzeiten für die aeroelastische Bewertung von Turbinenschaufeln, wie sie in der industriellen Auslegung erforderlich sind. Diese liegen bei einem linearen Verfahren zur Flatterrechnung um 2 Größenordnungen unter den Rechenzeiten entsprechender nichtlinearer instationärer Simulationen. Die Linearisierung der Navier-Stokes-Gleichungen soll im Rahmen dieses Projektes über einen zeitharmonischen Ansatz realisiert werden. Dabei wird das Strömungsfeld in einen stationären und instationären Teil zerlegt. Der instationäre Teil kann dann unter der Annahme kleiner Amplituden durch eine modale Zerlegung unter Vernachlässigung Terme höherer Ordnung in der Zeit durch ein lineares Gleichungssystem beschrieben werden. Mit diesem Ansatz lässt sich das Verhalten der Schaufel bei Anregung bei einer bestimmten Frequenz untersuchen.
Das Projekt "Grundlegende Untersuchungen zur Alkalirückhaltung sowie zur Korrosionsbeständigkeit und Verdampfung keramischer Materialien der Druckkohlenstaubfeuerungsanlage in Dorsten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich,Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik, Institut 2: Werkstoffstruktur und -eigenschaften durchgeführt. Bei der Druckverbrennung von Kohle werden die entstehenden Gase bei Temperaturen von etwa 1400 C zunächst einer Gasturbine zugeführt und danach zur Frischdampferzeugung einem Abhitzedampferzeuger. Probleme bereiten die im Heißgas vorliegenden Alkalien, die bei der Kohleumwandlung freigesetzt werden, und deren Konzentration durch Einbinden in geeignete Sorptionsmaterialien erniedrigt werden muss, um eine Korrosion der Turbinenschaufeln zu vermeiden. Weiter können die im Heißgasbereich eingesetzten keramischen Werkstoffe durch den Einfluss des Gases verstärkt verdampfen und die gebildeten Gasspezies korrosiv oder toxisch wirken. Für das Verständnis der Alkalieinbindung und der Keramikverdampfung ist der Aufbau eines Hochdruck-Massenspektrometers notwendig, mit dem umfassende Verdampfungs- und Gasphasenuntersuchungen realitätsnah möglich sind. Der Aufbau, die Inbetriebnahme und eine 1. Erprobung sind im Vorhaben vorgesehen.
Das Projekt "4.1.6b 'Experimentelle und numerische Untersuchungen der Robustheit von 3D-Schaufelkanalgestaltungen'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen durchgeführt. Das Ziel des beantragten Vorhabens ist die Untersuchung dreidimensional gestalteter Turbinenschaufeln hinsichtlich ihrer Robustheit. Nach erfolgreichem Abschluss des Projekts steht eine Wissensbasis über besonders relevante Einflussfaktoren für dreidimensional gestaltete Turbinenschaufeln zur Verfügung. Dieses Know-How wird dazu beitragen, intelligente Bewertungsmaßstäbe und Auslegungsrichtlinien für dreidimensionale Turbinenschaufeldesigns zu schaffen, indem die Robustheit eines Designs mit einbezogen werden kann. Die Arbeiten dieses Vorhabens umfassen sowohl die erforderlichen experimentellen Untersuchungen an einer Versuchsturbine, wobei der detaillierten Vermessung der Strömung zwischen Stator- und Rotorgitter besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird, als auch detaillierte CFD-basierte Analysen. Im Fokus stehen dabei drei Aspekte, welche die Robustheit charakterisieren, da sie einen wesentlichen Einfluss auf die Wirkungsweise der 3D-Gestaltung haben: Variation des Zuströmturbulenzgrades, Einbringen von Plattformstufen, Variation des Axialabstandes der Schaufelreihen. Es werden somit nicht nur aerodynamische sondern auch fertigungstechnische Abweichungen vom Auslegungsideal betrachtet.
Das Projekt "(Interimsphase) - Themen-Nr. 1110: Entwicklung eines mathematischen Verfahrens zur schnellen Formoptimierung von Turbinenschaufeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Abteilung Technische Simulation durchgeführt. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Prototyps eines Optimierungsprogramms, das automatisch und schnell die optimale Auslegung von 2D-Turbinenschaufelprofilen ermoeglicht. Hierzu wird ein nichtlineares Optimierungsproblem mit Nebenbedingungen formuliert und geloest. Das zu minimierende Zielfunktional wird dadurch definiert, dass eine rund um das Profil vorgegebene Machzahlverteilung moeglichst gut approximiert werden soll. Die Stroemungsgleichungen und zusaetzliche Restriktionen stellen die Nebenbedingungen dar. Hierzu und fuer die Berechnung der adjungierten Gleichungen wird ein Simulationsmodul der Fa. MTU verwendet, welches auf der Mehrgittermethode beruht. Im Unterschied zu bisherigen Loesungsansaetzen wird eine simultane Strategie implementiert, die gleichzeitig mit der Loesung der Stroemungsgleichungen die Optimierungsaufgabe loest. Dieser Ansatz entspricht bei Problemen der optimalen Steuerung dem 'State of the Art'. Alsoptimierungsalgorithmus wird ein spezielles reduziertes SQP-Verfahren (sukzessive quadratische Programmierung) entwickelt. Dieses beruht darauf, das nichtlineare Optimierungsproblem iterativ durch die Loesung quadratischer Teilprobleme zu loesen. Es ist zu erwarten, dass der Aufwand zur Loesung des Optimierungsproblems in der Groessenordnung des Aufwands zur Loesung des Simulationsproblems liegt, wodurch ein Werkzeug geschaffen wird, das fuer den interaktiven Einsatz tauglich ist.
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