Projekt-Cluster

Mehr Druck und weniger Strömungsverluste in Turbinen

Forschungsansatz

Im Inneren von Verdichtern rotieren zahlreiche Laufräder, die im Verbund mit Leiträdern kubikmeterweise Gase ansaugen und auf bis zu 30 bar zusammenpressen – so viel Druck wie in 300 Meter Wassertiefe herrscht. ©Alstom

Verdichter bauen mit ihren Schaufeln Druck auf und komprimieren Gase. Dagegen bauen Turbinen den Druck von Strömungsmedien wie Dampf oder Gasen ab, um deren Expansion als Kraft auf ihren Schaufeln in Drehungen (Rotation) umzusetzen. In beiden Fällen geschieht dies umso effizienter je weniger Verluste in den Strömungen durch Wirbel und Abrisse entstehen. Die Forschung optimiert diese Kraftübertragungen zwischen Druck und Schaufeln und minimiert die Strömungsverluste immer weiter. 

 

Die derzeitige Aerodynamik-Forschung beschäftigt sich mit Hilfe komplexer Rechenverfahren einerseits damit, die Form, sprich das dreidimensionale Profil der Schaufeln in den verschiedenen Bauteilen und Stufen zu optimieren. Das Ziel heißt: Von der primären Strömung soll möglichst viel Energie in Leistung umgewandelt werden; dazu müssen Energieverluste durch sekundäre Strömungseffekte so weit wie möglich verringert werden. Andererseits werden intensiv die verschiedenen Phänomene der Sekundärströmungen untersucht. Diese kann man beispielsweise reduzieren, indem man an den Rändern der Schaufel die Druckbelastung relativ niedrig hält und eine optimierte Geometrie der Schaufeln wählt. In den zurückliegenden Jahrzehnten haben sich verschiedene Forschungsarbeiten an Turbomaschinen immer wieder gegenseitig befruchten und ergänzen können. So wurden Ideen aus der Aerodynamik von der Materialforschung und der Fertigungstechnik aufgegriffen und so zum Beispiel erst die technische Basis zur Erreichung bestimmter Ziele geschaffen.

Die enormen Fortschritte bei den Werkstoffen (Einkristalle, Titanlegierungen etc.) sowie in der Fertigungstechnik (Wabenstrukturen, Gies- und Frästechniken etc.) erlauben es den Aerodynamikern, bei der Gestaltung der Schaufeln bis an die Grenze des physikalisch Möglichen zu gehen.

Forschungsziele

Gasturbine

  • Aerothermodynamische Optimierung von Verdichtern und Turbinen
  • Erweiterung des Betriebsbereichs bei gesteigerten Wirkungsgraden insbesondere im Teillastbetrieb
  • Sicherstellung der für einen flexiblen Kraftwerksbetrieb erforderlichen aerodynamischen und aeromechanischen Stabilität der Schaufeln bei ausreichender Lebensdauer
  • Rigversuche zur Ermittlung von Verdichterbelastungsgrenzen

 

Dampfturbine

  • Erhöhung der Dampfparameter
  • Steigerung der Expansionswirkungsgrade
  • Flexibilisierung des Turbinenbetriebs und der Anlagenintegration

Perspektiven

Gasturbine

Aerothermodynamische Optimierung von Verdichtern und Turbinen

Die aerodynamischen Verluste, die Effizienz und auch die Stabilität moderner, hochbelasteter Axialverdichter werden zu einem großen Teil durch die instationäre Strömung in den Randbereichen des Ringraums verursacht. Ein detailliertes Verständnis der zeitlich veränderlich ablaufenden Vorgänge an Beschaufelung und Kavitäten (Hohlräumen) ist insbesondere in hochbelasteten Verdichtern eine wichtige Grundlage für effzienzgesteigerte Entwürfe und folglich für einen verbesserten Prozesswirkungsgrad der Gasturbine. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer für Hochdruckverdichterstufen geeigneten verbesserten Gehäusestrukturierung.

In Experimenten soll geklärt werden, ob die vom Strömungsmedium berührte Oberfläche und Geometrie den Wirkungsgrad oder auch die Stabilität des Verdichters erhöhen kann.

Erweiterung des Betriebsbereichs bei gesteigerten Wirkungsgraden insbesondere im Teillastbetrieb („Teillastflexibilität“)

Eine Effizienzsteigerung und Verbesserung des Betriebsverhaltens im Teillastbereich lässt sich unter anderem durch konstruktive Maßnahmen im Bereich der Schaufelspitze beziehungsweise des Statorspalts erreichen. Hierzu sind detaillierte Untersuchungen der instationären Strömungsphänomene im Bereich der Schaufelspitzen der Rotoren erforderlich. Von Bedeutung ist auch die Verbesserung der Pumpgrenze des Verdichters, einem Bereich, in dem der Betrieb instabil wird. Dies kann durch eine verbesserte Gestaltung von Verdichterstatoren erreicht werden. Dadurch lässt sich der Arbeitspunkt des Verdichters zu höheren Wirkungsgraden hin anheben und ein verbessertes Teillastverhalten realisieren. Insgesamt wird durch diese Maßnahmen die Effizienz im Hinblick auf den Einsatz in CO2-armen Kraftwerken entscheidend verbessert. Ferner vergrößert sich so der Arbeitsbereich des Verdichters. Die Forderung nach erhöhter Teillaststabilität wird erfüllt.

Für die weitere Optimierung der Gasturbine ist es unerlässlich, die aus Vorversuchen gewonnen Erkenntnisse über die Verdichter-Aerodynamik und -Festigkeit durch praktische Versuche an großen Verdichter-Testrigs zu verifizieren. Ebenso wichtig ist es, die hohe Zuverlässigkeit existierender Gasturbinen-Verdichter auf neue Produkte zu übertragen. Zu diesem Zweck wird die evolutionäre Entwicklung der Schaufelprofilerstellung und der Auslegung der Gasturbinen- Verdichter forciert. Experimentelle Untersuchungen an einem im Verdichter ausgewählten mehrstufigen Segment mit mehreren Schaufelreihen sollen anschließend die Tauglichkeit der verbesserten Komponente nachweisen. Insbesondere zur Optimierung der hinteren Stufen mehrstufiger Segmente sind Untersuchungen in Verdichterrigs unerlässlich. Herkömmliche Messmethoden reichen dafür nicht aus. So genannte Gittermessungen (2D-Ansatz) beispielsweise sind nicht ausreichend, weil sie signifikante 3D-Strömungseffekte (Seitenwandgrenzschichten, Schaufelspalt) nicht erfassen. Erschwerend kommt hinzu, dass aufgrund der limitierenden Turbineneintrittstemperatur mit etablierten Messmethoden keine gezielte Belastung und Überlastung der hinteren Stufen in einer Versuchsgasturbine möglich ist.

 

Dampfturbine

In einer Dampfturbine treibt das Strömungsmedium  Dampf einen Rotor an, der wiederum einen Generator zur Stromerzeugung oder Kompressor in Bewegung setzt. Die Dampfturbine gehört zu den wichtigsten Stromerzeugern überhaupt. Etwa die Hälfte der weltweit produzierten Strommenge stammt aus Dampfturbinen, die mit Kohle, Kernenergie, Erdöl und Erdgas oder auch mit Biomasse, Solarthermie und Geothermie betrieben werden. Durch eine Optimierung dieser Schlüsselkomponente lassen sich also große Mengen an Energieträgern einsparen und CO2-Emissionen deutlich mindern.

Steigerung der Expansionswirkungsgrade

Ein wichtiges Entwicklungsziel in der Dampfturbinentechnologie ist die Effizienzsteigerung. Das lässt sich durch eine Mehrleistung bei gleichem Brennstoffeinsatz erreichen. Anders ausgedrückt: Durch die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades ist eine merkliche Senkung des CO2-Ausstoßes bei konstanter elektrischer Leistung möglich. Der Fokus der Aktivitäten in diesem Bereich liegt unter anderem auf der Entwicklung und Weiterentwicklung von innovativen Dichtungskonzepten und der Verbesserung der Auslegungsverfahren für große Niederdruckschaufeln. Ein weiterer Punkt ist die Optimierung der Abdampfströmung, um die Auslassverluste hinter der Endstufe zu reduzieren. Geringere Auslassverluste lassen sich durch größere Austrittsquerschnitte erreichen. Dadurch erhöht sich zwangsläufig der Wirkungsgrad. Größere Austrittsquerschnitte erfordern zugleich größere Endstufenschaufeln. Bei der Höherdimensionierung der Endstufenschaufeln aber stößt man bislang an strömungstechnische und mechanische Grenzen. Aufgrund der Größe der Endstufen nehmen die Zuströmmachzahlen zum Laufrad und die dreidimensionalen Effekte zu. Erforderlich sind deshalb eng verzahnte experimentelle und numerische Untersuchungen, mit denen sich die komplexen Strömungen im Niederdruckbereich analysieren lassen.

Erhöhung der Flexibilität / Verbesserung des Teillastverhaltens

Bei der bisherigen Auslegungsphilosophie für Dampfturbinen stand bislang der optimale Wirkungsgrad im Vordergrund. Die Liberalisierung des Strommarktes und der verstärkte Einsatz von erneuerbaren Energiequellen zur Stromerzeugung haben inzwischen aber zu neuen Anforderungen geführt. Gefragt sind zunehmend hohe Flexibilität und optimales Teillastverhalten.

Folgende Forderungen lassen sich hieraus formulieren:

  • schnelles An- und Abfahren der Dampfturbine
  • starker Anstieg der Lastwechselzahlen
  • Senkung des stabilen Minimallastpunktes,
  • hoher Wirkungsgrad und geringere Emissionen im Teillastpunkt.

Von zentraler Bedeutung ist es zunächst, Grenzlastzustände von mehrstufigen, bei sehr geringen Teillasten betriebenen Dampfturbinen zu beschreiben und in Kennfeldern darzustellen. So lassen sich Verlustmechanismen im Detail erkennen. Die Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis der Strömungsphänomene und ihrer Wirkung auf die Turbinenbauteile. Zum anderen lassen sich mithilfe dieser Daten numerische Optimierungsstrategien zur zuverlässigen Vorhersage der Turbinenzustände entwickeln.

Ein weiteres Ziel ist die Optimierung der Schaufelverbände der Niederdruck-Endstufen. Aufgrund der steigenden dynamischen Anregungen müssen ihr Dämpfungsverhalten verbessert werden. Des Weiteren sollen stochastische Lebensdaueranalysen zuverlässige Aussagen über Ermüdungen von Niederdruckschaufeln unter hoch- und niederzyklischen Beanspruchungen liefern. Eine zusätzliche technische Herausforderung ist die Verbesserung der Befestigung von Niederdruckschaufeln, die künftig erhöhten dynamischen Kräften Stand halten müssen.

Hintergrund

Während eine Dampfturbine durch geschickte Anordnung der Schaufeln einfach möglichst viel Drehkraft aus dem Dampfdruck holen soll, wirken in einer Gasturbine Verdichter und Turbine technisch zusammen, arbeiten physikalisch gesehen allerdings genau entgegengesetzt. Der Verdichter wirke wie eine Pumpe. Er saugt mit Hilfe seiner Schaufelräder Luft an und verdichtet sie auf hohen Druck. Das komprimierte Gas strömt dann durch die Turbine zum niedrigeren Druck und treibt dabei die Schaufelräder an. Man kann sagen: Im Verdichter erhöht sich durch Energiezufuhr der Gasdruck laufend, während er in der Turbine durch Energieentnahme schrittweise wieder abnimmt. Die Brennkammer, die zwischen Verdichter und Turbine angeordnet ist, erhöht die Temperatur und damit den Energieinhalt des Gases.

Die Schaufelräder in Verdichter und Turbine haben entgegengesetzte Aufgaben zu verrichten: Im Verdichter üben die schrägstehenden Schaufeln einen Druck auf das Gas aus und „schieben“ es an; bei der Expansion in der Turbine übt das Gas einen Druck auf die Schaufeln aus und schiebt diese an, so dass die Achse (Welle), auf der die Schaufelräder befestigt sind, zu rotieren beginnt. Dementsprechend sind die Schaufeln in Verdichter und Turbine unterschiedlich geformt und angeordnet.

Um nun eine möglichst große Leistung zu erzielen, baut man sowohl Verdichter als auch Turbinen mit mehreren Schaufelrädern. Allerdings muss zwischen den rotierenden Schaufelrädern (Laufrad) stets ein feststehendes Leitrad eingefügt sein, denn wenn die Strömung auf ein rotierendes Schaufelrad trifft, wird sie umgelenkt. Bevor sie nun auf ein weiteres Laufrad trifft, muss sie zunächst wieder aufgerichtet, das heißt in die ursprüngliche Eintrittsrichtung zurückgelenkt werden. Ohne diese Rücklenkung würde der Gas- oder Dampfstrom nicht mehr weiter umgelenkt werden können. Das heißt sein Energiegehalt wäre bei einer Turbine nicht mehr weiter nutzbar. Verdichter und Turbine bestehen demnach immer aus einer Abfolge von Laufrädern (auch Rotoren genannt) sowie Leiträdern (Statoren), die zusammen jeweils eine so genannte Stufe bilden. Ein Verdichter umfasst stets mehr Stufen als eine Turbine.

Forschungsvorhaben zum Thema

Innovative 3D Schaufelgeometrien (für Dampfturbinen)
Forschende Organsiation: Siemens Aktiengesellschaft - Energy Sector
Förderkennzeichen: 0327718E
Projektlaufzeit: 01/2011 - 07/2015

 

Dämpfungsbestimmung für gekoppelte Laufschaufeln (in Dampfturbinen)
Forschende Organisation: ALSTOM Power Systems GmbH, Mannheim
Förderkennzeichen: 0327718T
Projektlaufzeit: 10/2010 - 03/2015

 

Robuste 3D-Gestaltung von Schaufelkanälen in Turbinen; Experimentelle und numerische Untersuchungen der Robustheit von 3D-Schaufelkanalgestaltungen
Forschende Organisationen: MTU Aero Engines GmbH, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen - Fakultät 4 - Maschinenwesen - Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
Förderkennzeichen: 03ET2010M | 03ET2011F
Projektlaufzeit: 10/2011 - 09/2015

 

Verbesserung des Strömungsverhaltens von subsonischen Verdichterstufen in Axialverdichtern mit großen Radialspaltweiten
Forschende Organisation: Technische Universität Dresden - Fakultät Maschinenwesen - Institut für Strömungsmechanik - Lehrstuhl für Turbomaschinen und Strahlantriebe
Förderkennzeichen: 03ET2011H
Projektlaufzeit: 10/2011 - 06/2015

 

Fortschrittlicher HCF Bauteiltest (High-Cycle-Fatigue-Messung mit verbesserter Validierungsqualität bei höheren Schwingungsmoden in Gasturbinen)
Forschende Organisation: MTU Aero Engines GmbH
Förderkennzeichen: 03ET2010E
Projektlaufzeit: 05/2011 - 04/2014 (abgeschlossen)

 

4stufiger Hochdruckverdichter mit Gehäusestrukturierung
Forschende Organisation: ALSTOM Power Systems GmbH
Förderkennzeichen: 0327715B
Projektlaufzeit: 09/2006 - 12/2010 (abgeschlossen)

 

Optimierung der Dampfturbineneinströmung unter Berücksichtigung strukturmechanischer und aerodynamischer Aspekte
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation
Förderkennzeichen: 0327716B
Projektlaufzeit: 01/2008 - 12/2010 (abgeschlossen)

 

Instationäre Strömung im Schaufelrandbereich und in Randkavitäten
Forschende Organisation: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Förderkennzeichen: 0327716C
Projektlaufzeit: 01/2008 - 12/2011 (abgeschlossen)

 

Wechselwirkungen zwischen den Strömungen im Eintrittsgehäuse und der transsonischen Verdichterstufe einer Industriegasturbine
Forschende Organisation: Bergische Universität Wuppertal - Fachbereich D - Architektur, Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Sicherheitstechnik
Förderkennzeichen: 0327716F
Projektlaufzeit: 01/2008 - 01/2011 (abgeschlossen)

 

Optimierung von transsonischen Verdichterstufen mit Gehäuseeinbauten

Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Institut für Antriebstechnik 
Förderkennzeichen: 0327717C
Projektlaufzeit: 03/2009 - 11/2012 (abgeschlossen)

 

Hochleistungs-Bürstendichtungen für große Druckgefälle
Forschende Organisation: Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig - Fakultät 4 - Maschinenbau - Pfleiderer-Institut für Strömungsmaschinen
Förderkennzeichen: 0327716P | 03ET2011C
Projektlaufzeit: 10/2007 - 09/2011 (abgeschlossen) | 05/2011 - 10/2015

 

Meridiankonturierte Düsen für Regelstufen von Industriedampfturbinen
Forschende Organisation: MAN TURBO AG
Förderkennzeichen: 0327716Q
Projektlaufzeit: 04/2008 - 03/2012 (abgeschlossen)

 

Einflüsse von Seitenwandkonturierung und Leckageinteraktion auf den Wirkungsgrad von Turbinen mit Deckbandbeschaufelungen
Forschende Organisation: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen - Fakultät 4 - Maschinenwesen - Lehrstuhl und Institut für Dampf- und Gasturbinen
Förderkennzeichen: 0327716R
Projektlaufzeit: 10/2007 - 05/2012 (abgeschlossen)

 

Wirkungsgradoptimierte Statoren mit und ohne Innendeckband
Forschende Organisation: Technische Universität Dresden - Fakultät Maschinenwesen - Institut für Strömungsmechanik - Lehrstuhl für Turbomaschinen und Strahlantriebe
Förderkennzeichen: 0327716T
Projektlaufzeit: 04/2008 - 12/2011 (abgeschlossen)

 

Auslegung und Bewertung wirkungsgradoptimierter Statoren mit und ohne Innendeckband
Forschende Organisation: MTU Aero Engines GmbH
Förderkennzeichen: 0327716U
Projektlaufzeit: 09/2007 - 12/2011 (abgeschlossen)

 

Verbesserung des Druckrückgewinnes in axialen Kraftwerksdiffusoren (in Gasturbinen)
Forschende Organisation: ALSTOM Power Systems GmbH, Mannheim
Förderkennzeichen: 0327718D
Projektlaufzeit: 08/2010 - 04/2014 (abgeschlossen)

 

Einfluss von Stützrippen auf die Sekundärströmungen in Turbinendiffusoren
Forschende Organisation: Leibniz Universität Hannover - Fakultät für Maschinenbau - Institut für Turbomaschinen und Fluiddynamik, MAN Diesel & Turbo SE
Förderkennzeichen: 0327717B | 03ET2011I
Projektlaufzeit: 03/2009 - 08/2011 (abgeschlossen) | 01/2012 - 12/2014 (abgeschlossen)

 

Absaugung und Ausblasung auf hochbelasteten Verdichterschaufeln
Forschende Organisation: MTU Aero Engines GmbH
Förderkennzeichen: 0327717E
Projektlaufzeit: 03/2009 - 03/2015 (abgeschlossen)

 

Aeroelastische Vorgänge im Blattspitzenbereich hochbelasteter Verdichter
Forschende Organisation: Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Maschinenbau - FG Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Förderkennzeichen: 0327719D
Projektlaufzeit: 07/2010 - 06/2014 (abgeschlossen)

 

Untersuchung und Vergleich von konkurrierenden adaptiven Dichtsystemen in Turbomaschinen hinsichtlich Effektivität und dynamischem Verhalten
Forschende Organisation: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Fakultät für Maschinenbau - Institut für Thermische Strömungsmaschinen
Förderkennzeichen: 0327717G
Projektlaufzeit: 06/2009 - 08/2012 (abgeschlossen)

 

Expansionsoptimierung in einer Verdichterantriebsmodellturbine
Forschende Organisation: MAN TURBO AG
Förderkennzeichen: 0327787A
Projektlaufzeit: 04/2008 - 12/2012 (abgeschlossen)

 

Aeroelastische Untersuchung von Turbinenschaufeln unter Berücksichtigung von Plattform und Deckband mittels linearer Simulationstechniken
Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Institut für Antriebstechnik
Förderkennzeichen: 0327816
Projektlaufzeit: 03/2009 - 05/2013 (abgeschlossen)

 

Auslegung einer Verdichterbeschaufelung zur Untersuchung von Instabilitäten und Abreißmechanismen an der Laufschaufelspitze
Forschende Organisation: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Förderkennzeichen: 0327830 | 0327838
Projektlaufzeit: 09/2009 - 08/2013 (abgeschlossen) | 09/2009 - 08/2013 (abgeschlossen)

 

Optimierung und robuste Auslegung für gekoppelte Laufbeschaufelungen
Forschende Organisation: Leibniz Universität Hannover - Fakultät für Maschinenbau - Institut für Dynamik und Schwingungen
Förderkennzeichen: 0327719A
Projektlaufzeit: 09/2010 - 08/2013 (abgeschlossen)

 

Effiziente teillaststabile Verdichterbeschaufelung
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation - PE211
Förderkennzeichen: 0327715T
Projektlaufzeit: 06/2007 - 09/2010 (abgeschlossen)

 

Untersuchung der aero-elastischen Anregung von DT-Endstufen bei Teillast und Maßnahmen zur Schwingungsvermeidung
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation - Abt. P11M2
Förderkennzeichen: 0327716K
Projektlaufzeit: 20/2007 - 09/2011 (abgeschlossen)

 

Vorhaben FlexComp (optimierte Verdichterbeschaufelung für flexibleren und umweltfreundlicheren Turbinenbetrieb)
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation - PE211
Förderkennzeichen: 0327805B
Projektlaufzeit: 01/2009 - 06/2013 (abgeschlossen)