Ziel dieses Vorhabens ist es, eine hoch belastete, für hohen Wirkungsgrad und hohe Stabilität optimierte Konfiguration eines transsonischen Verdichters unter dem Aspekt der instationären Aerodynamik und der Aeroelastik zu untersuchen. Die Inhalte dieses Vorhabens stehen in engem Zusammenhang zu den Vorhaben 1.2.6a und b, welche auf die experimentelle Untersuchung abzielen. Zum Einen sollen die Ergebnisse bei der Auslegung der Beschaufelung berücksichtigt werden, zum Anderen sollen sie bei der Durchführung der Messaufgaben unterstützen. 1) In der ersten Phase soll die stationär optimierte Geometrie mit instationären Modellen im Auslegungspunkt analysiert werden. Der Fokus liegt auf der Untersuchung der für den Wirkungsgrad im Auslegungspunkt relevanten Interaktionseffekte. 2) Erweiterung auf die Bewertung der aerodynamischen Stabilität, hierzu sind Drehzahl Kennlinien bei verschiedenen Drehzahlen und IGV-Stellung zu berechnen und die, die Stabilität bestimmenden Effekte im Vergleich zu den stationären Modellen zu analysieren. 3) Analyse des aeroelastischen Verhaltens der Beschaufelung und gegebenenfalls entsprechende Modifikation des Designs mittels AP4. 4) Implementierung einer effizienten Aeroelastik Prozesskette in die automatisierte Optimierung 5) Verbesserung von Modellen zur effizienten zeitgenauen Berechnung der Schaufelreihen-Interaktion.
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 im Vorhaben 1.212 (Kooperation mit dem Institut fuer Strahlantriebe der TH Aachen) entwickelte Messystem zur Stabilitaetsueberwachung findet Anwendung im Verdichter einer Hochtemperatur-Gasturbine. Zur Weiterentwicklung des Systems werden neben den Messwertaufnehmern fuer die Stabilitaetsueberwachung umfangreiche statische und dynamische Wanddruckmesstellen eingesetzt. Mit Hilfe dieser Messungen soll die axiale Position (Stufen) und die Messkette fuer die Stabilitaetsueberwachung optimiert werden. Zur Ueberpruefung der Stabilitaetsueberwachung wird die Pumpgrenze im Teildrehzahlbereich angefahren.
Das Ziel des Vorhabens ist die Erstellung einer Datenbasis zur Validierung und Weiterentwicklung eines 3D-Rechenverfahrens durch Vermessung des dreidimensionalen Stroemungsfeldes in den Frontstufen eines Axialverdichters. Untersuchungsgegenstand sind die Stufen 1 bis 5 des bereits in der Interimsphase in seinen Endstufen vermessenen 15-stufigen Verdichter-Rigs. Die Messungen finden auf dem Zweiwellenpruefstand der DLR in Koeln-Proz statt, wobei die Bestimmung der Geschwindigkeitsvektoren und Stroemungswinkel mit einem 3D-L2F-Verfahren erfolgt. In einem ersten Schritt muss der 15-stufige Verdichter auf die 5-stufige Version umgebaut werden. Diese Arbeiten werden im Unterauftrag bei der MTU Muenchen GmbH durchgefuehrt. In der Phase 1 erfolgt die Konstruktion der fehlenden Rigteile und der Instrumentierung. In der Phase 2 werden die Sonden und Laserfenster durch die MTU gefertigt. Es erfolgt hier die Montage und Justierung des gesamtes Rigs, die Endinstrumentierung sowie Verpackung und Transport. Waehrend der Messungen fuehrt der MTU die Lagerueberwachung durch. Die Durchfuehrung der Messungen erfolgt in dem Vorhaben der DLR in der Phase 2. Es werden die Stromauf- und Stromabwirkungen der einzelnen Stufen des Verdichters untersucht. ABB uebernimmt einen Teil der Energiekosten bei diesen Versuchen. Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens wird im Unterauftrag bei der ABB Kraftwerke AG in Baden bearbeitet. Dazu gehoert die Planung der konstruktiven Arbeiten und die Betreuung der Fertigung bei der MTU in der Phase 1. In der Phase 2 erfolgt die Betreuung bei der Anpassung des Verdichters an den DLR-Pruefstand sowie die Teilnahme an den Messungen. Zur Interpretation und zur Detailauswertung der Messergebnisse zur Erzeugung einer Datenbasis wird ein 3D-Navier-Stokes-Verfahren weiterentwickelt und fuer Vergleichsrechnungen herangezogen.
Fuer einen vielstufigen Axialverdichter soll ein Verfahren entwickelt werden, das mit Hilfe von gezielten Messungen die Ueberwachung der Stabilitaetsgrenze ermoeglichen soll. Hierzu sind folgende Arbeitsschritte erforderlich: - Auswertung der Versuchsergebnisse der V84.3 im Hinblick auf die Frueherkennung von Instabilitaeten bei Belastung des Verdichters. Ableitung von Kriterien fuer die Stabilitaetsueberwachung. - Entwicklung und Auslegung geeigneter Messwertgeber zur Erzielung von Daten fuer die Stabilitaetsueberwachung in der Maschine. - Anwendung der Sensoren auf die Messungen in der V84.4 und Auswertung der Ergebnisse zur Validierung und Ergaenzung der definierten Stabilitaetskriterien. Erarbeitung einer Rechnersoftware fuer die Ueberwachung der Verdichterstabilitaet mit Hilfe der gefundenen Kriterien.