Das Vorhaben umfasst Projekte zur Optimierung von Gas- und Dampfturbinen sowie Industriedampfturbinen. Letztere werden als Kompressorantriebsturbinen im CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS)-Strang eingesetzt, aber auch in kompakten dezentralen Kraftwärmekoppelungs(KWK)-Anlagen kommunaler Betreiber und der Industrie. Die Turbinen sollen weitere Wirkungsgradsteigerungen bei gleichzeitiger Kostenoptimierung erfahren. Ebenfalls müssen unter Berücksichtigung höherer zulässiger Lastwechselzahlen und Lastwechselgeschwindigkeiten ausgelegt werden, um fluktuierende Einspeisung von Wind- und Solarstrom bedingte Schwankungen ausgleichen zu können. Neben der Erhöhung der Startzahlen, geht es hier auch um den effizienteren Betrieb der Turbinen im unteren Lastbereich und um größere Lastgradienten.
Das Vorhaben umfasst Projekte zur Optimierung von Gas- und Dampfturbinen sowie Industriedampfturbinen. Letztere werden als Kompressorantriebsturbinen im CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS)-Strang eingesetzt, aber auch in kompakten dezentralen Kraftwärmekoppelungs(KWK)-Anlagen kommunaler Betreiber und der Industrie. Die Turbinen sollen weitere Wirkungsgradsteigerungen bei gleichzeitiger Kostenoptimierung erfahren. Ebenfalls müssen unter Berücksichtigung höherer zulässiger Lastwechselzahlen und Lastwechselgeschwindigkeiten ausgelegt werden, um fluktuierende Einspeisung von Wind- und Solarstrom bedingte Schwankungen ausgleichen zu können. Neben der Erhöhung der Startzahlen, geht es hier auch um den effizienteren Betrieb der Turbinen im unteren Lastbereich und um größere Lastgradienten.
Dieses Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo COOREFLEX-turbo. Durch die bevorzugte Einspeisung von Strom aus regenerativer Energiegewinnung steigt die Anforderung an die Betriebsflexibilität von konventionellen Kraftwerken hinsichtlich größerer Laständerungsgeschwindigkeiten und effizienterem Teillastbetrieb. Ziel dieses Vorhabens ist es durch Optimierungsverfahren, die Leistungsdichte in den einzelnen Stufen der Beschaufelung von Dampfturbinen im Vergleich zu einer wirkungsgradoptimalen Auslegung nach Stand der Technik zu erhöhen, um die Anzahl der Stufen einer Teilturbine zu reduzieren. Die dadurch erreichte kompaktere Bauweise weist eine geringere thermische Trägheit auf, mit der sich größere Lastgradienten realisieren lassen. Die für diesen Zweck optimierte Beschaufelung mit Seitenwandkontur wird durch Messungen in der mehrstufigen Versuchsturbine des TFD in Hannover untersucht und die Auslegungsregeln auf Basis der experimentellen und numerischen Ergebnisse validiert. Neben globalen Kenngrößen wie dem Wirkungsgrad werden insbesondere auch lokale Effekte wie die Ausbildung der Sekundärströmung im Voll- und Teillastbetrieb analysiert. 1) Vorbereitung und Durchführung der Messkampagne für die nach dem Stand der Technik ausgelegte Referenzbeschaufelung. 3) Auslegung und Optimierung einer Turbinenstufe mit Seitenwandkontur. 4) Vorbereitung und Durchführung der Messkampagne mit optimierter Beschaufelung. 5) Auswertung und Analyse der Ergebnisse.
Ziel im TP 3.3 ist die Entwicklung eines reaktiven Textils zur Leistungssteigerung beim neuartigen Staudruckwasserrad, welche die Eigenschaften herkömmlicher Wasserrad-schaufeln aus Stahl oder Aluminium um flexible Eigenschaften erweitert. Zur Erzielung der maximalen Energieerträge sind Anforderungsparameter wie z.B. die lastabhängige Verformungsfähigkeit, wasser- und schmutzabweisend zu erreichen. Es werden verschiedene Varianten der Beschaufelung - Konventionelle Stahl-/ Aluminiumkonstruktionen) und Reaktive Membranen als Anströmfläche entwickelt und auf ihre Wirksamkeit untersucht. Das TITV e. V. Greiz erarbeitet in diesem Teilprojekt Varianten textiler Flächenstrukturen für den Einsatz der Beschaufelung von Wasserrädern. Schwerpunktmäßig ist die Verwendung von gestickten Flächen mit unterschiedlichen Strukturierungsmöglichkeiten in Kombination mit Beschichtungs- und Kaschiertechnologie zu untersuchen. Mit der Sticktechnologie können bei Bedarf zweidimensionale textile Flächen dreidimensional ausgebildet und mittels Beschichtung unterschiedliche Oberflächenstrukturierungen erzielt werden. Diese Vorteile sollen für die bestehenden strömungstechnischen Anforderungen genutzt und getestet werden. Zur Integration des Textils im Wasserrad ist der Materialeinsatz bzgl. Eignung zur Funktionstüchtigkeit im Wasserrad, die Erarbeitung verschiedener Strukturierungsgeometrie, das Handling im Anwendungsfall sowie die Erprobung in der Praxis zu untersuchen.
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.
Dieses Vorhaben wird im Rahmen des Verbundvorhabens COOREFLEX-turbo durchgeführt. Das übergeordnete Ziel besteht in der Erreichung einer robusten Wirkungsgradmaximierung im Hochdruckverdichter unter Berücksichtigung von Geometrieabweichungen am Profil. Unter Einsatz von Optimierungsprozessen sowie von probabilistischen Prozessen soll eine Profilgeometrie gefunden werden, bei welchem das Wirkungsgradintegral über den Lebenszyklus hinweg maximiert wird, bzw. Bauteilabweichungen welche aus der Fertigung kommen toleriert werden können. Demnach soll die Beschaufelung tolerant gegenüber Fertigungsabweichungen und Verschleißmerkmalen ausgelegt werden. Das Vorhaben gliedert sich in drei Hauptarbeitspakete. Im Arbeitspaket zwei soll der Optimierungsprozess bearbeitet werden. Das Arbeitspaket drei behandelt optimierungstechnische und probabilistische Verfahren zur stabilen Optimierung auf die durch die Bauteilabweichungen gegebenen Sensitivitäten. Im Arbeitspaket vier sollen die gewonnenen Erkenntnisse validiert werden und somit deren Anwendbarkeit auf ein großes Spektrum an Verdichterprofilen sichergestellt werden. Im komplementär aufgestellten Vorhaben 1.3.1A des Projektpartners IST, werden neben weiterführenden Entwicklungen des Optimierungsprozesses vor allem Validierungen durchgeführt, welche schlussendlich zu einem validierten und später industriell anwendbaren Ergebnis führen sollen. Somit ist in jedem der Arbeitspakete eine entsprechende Übertragbarkeit der Ergebnisse auf produktrelevante Anwendungen sichergestellt.
Dieses Vorhaben wird im Rahmen des Verbundvorhabens COOREFLEX-turbo durchgeführt. Das übergeordnete Ziel besteht in der Erreichung einer robusten Wirkungsgradmaximierung im Hochdruckverdichter. Es sollen einzelne Topologien der Beschaufelungen gefunden werden, die nicht notwendigerweise den Wirkungsgrad des ideal gefertigten neuen Verdichters unter Designbetriebsbedingungen maximieren, sondern solche, bei denen das Wirkungsgradintegral über den Lebenszyklus hinweg maximiert wird. Demnach soll die Beschaufelung tolerant gegenüber Fertigungsabweichungen und Verschleißmerkmalen ausgelegt werden. Zudem soll sie unter deutlich stärkerem Teillastanteil als im bisherigen Betrieb im Integral über alle Betriebsbedingungen optimale Eigenschaften aufweisen. Das Teilvorhaben gliedert sich in zwei Hauptarbeitspakete. In Arbeitspaket 4 sollen die Methoden und das notwendige Wissen erarbeitet werden, welche eine robuste Optimierung ermöglichen. Enthalten sind hier auch die deterministischen numerischen Verfahren zur Berechnung der strömungsmechanischen Eigenschaften. Die zur Validierung nötigen Kaskadenversuche werden im Arbeitspaket 5 am Kaskadenprüfstand des Institutes durchgeführt. Dabei sollen verschiedene Profile in Vergleichsmessungen gegeneinander gehalten werden.
Das Ziel des Vorhabens ist eine quantitative Bewertung der Verbesserung der Strömung im Hinblick auf die nachstehend genannten Ziele durch einen Vergleich zwischen 3D- und seitenwandkonturierten zylindrischen Schaufeln sowie zw. Labyrinth- und Bürstendichtungen: Reduzierung des Leckagemassenstroms und damit der Strömungsverluste in den Kavitäten; Reduzierung der Strömungsverluste im Hauptströmungskanal, insbesondere im seitenwandnahen Bereich; Reduzierung der durch die Interaktion zwischen Deckbandströmung und Hauptströmung verursachten Strömungsverluste; Ermittlung des Axialabstand-Einflusses zwischen Leit- und Laufrad. Die Untersuchungen liefern eine umfangreiche und fundierte Datenbasis der Strömungsfelder. Experiment: Konstruktion und Fertigung selbstentwickelter und -gefertigter Messtechnik - Vorbereitung der Versuchsturbine und Installation der Messtechnik incl. Anpassung des Betriebssteuerungs- und Messwerterfassungssystems - Untersuchungen an der seitenwandkonturierten zylindrischen Beschaufelungen - Untersuchungen der seitenwandkonturierten 3D-Beschaufelung - Datenaufbereitung und Analyse. Numerik: Erstellung eines Konzeptes zur Simulation der Leckageströmung - Geometrieerstellung der 3D-Beschaufelung unter Berücksichtigung der verschiedenen Axial-Abstände - Gittergenerierung - Durchführung stationärer und instationäre Rechnungen - Untersuchung der Leckageströmungs-Hauptströmungsinteraktion - Modellierung der Bürstendichtung - Postprocessing und Analyse der Ergebnisse.
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