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Numerische Untersuchung eines neuen Konzepts zur Lastenkontrolle von Windenergieanlagen in atmosphärischer turbulenter Zuströmung

Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. Im beantragten Teilvorhaben soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Univ. Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.

CFD-Methoden zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte, Teilprojekt: Entwicklung, Implementierung und Validierung von mathematischen Modellen zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte

Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung und langfristige Bereitstellung von Software zur Simulation von Siedevorgängen, wie sie in Brennelementbündeln von Kernreaktoren auftreten. Es soll der ganze Bereich von der konvektiven Wärmeübertragung über das Blasensieden bis hin zum Filmsieden (Critical Heat Flux - CHF) betrachtet werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten dieses Teilantrags liegt auf der mathematisch-physikalischen Modellierung und der Bereitstellung eines industriell einsetzbaren Rechenverfahrens zur Simulation von CHF-Phänomenen auf Basis von ANSYS CFD. Ausgehend von einem in ANSYS CFD verfügbaren Grundmodell soll von den Projektpartnern im geplanten Verbundvorhaben ein auf mechanistischen Vorstellungen basierendes Modell mit höherer Genauigkeit und Allgemeingültigkeit zur Berechnung von Filmsieden und CHF entwickelt und über die Laufzeit des Projekts verbessert werden. Ein spezielles Ziel des Teilvorhabens von ANSYS Germany ist, die Modelle für gegebene Einsatzbedingungen, Genauigkeitsanforderungen und Rechenkapazitäten (Rechenzeit, Speicherplatz und Datenmengen) numerisch robust und industriell einsetzbar zu implementieren und für sicherheitsrelevante Anwendungen zu verifizieren und zu validieren. Im geplanten Vorhaben werden Modelle zum Einsatz kommen, die auf dem phasengemittelten Euler-Euler-Kontinuumsansatz beruhen. Das Vorhaben umfasst die folgenden Arbeitspakete (siehe ausführliche Beschreibung des Projekts in der Anlage): Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur numerischen Auflösung des wandnahen Bereichs in Verbindung mit dem Siedemodell; Verallgemeinerung und Kalibrierung des in ANSYS CFD implementierten Siedemodells; Implementierung und Test des von den Projektpartnern entwickelten mechanistischen Siedemodells in ANSYS CFD; Optimierung des Multiple Size Group-Modells für hohe Dampfgehalte bis zum CHF; Erweiterung des GENTOP-Modells; Vergleich der verschiedenen Ansätze.

COOREFLEX-Turbo, 4.2.6b Modellierung des Einflusses der instationären Schaufelwechselwirkung im Turbinendesign

Dieses Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo COOREFLEX-turbo. Durch die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energiewandlern steigt die Anforderung an die Flexibilität von Gasturbinen in thermischen Kraftwerken hinsichtlich höherer Effizienz im Teillastbetrieb und hohen Lastgradienten bspw. beim An- und Abfahren der Anlage. Eben diese Anforderung wird auch an Flugtriebwerke gestellt, wodurch Synergien bei der Entwicklung neuer Technologien und Berechnungsmethoden genutzt werden können. In einer flexibel betriebenen steigen gegenüber einer konstant betriebenen Turbomaschine die dynamischen Wechselwirkungen der Komponenten. Der wesentliche Mechanismus der aerodynamischen Wechselwirkung ist hierbei die Interaktion der Profilgrenzschicht mit den Nachläufen der stromaufwärts liegenden Schaufelreihe. Diese Interaktionen können je nach Profilbelastung sowie Frequenz und Zustand des Nachlaufs durch Einbringen zusätzlichen Impulses in die Grenzschicht die Profilverluste erhöhen oder senken. Für die Auslegung von über weite Betriebspunktbereiche hocheffizienten Turbinen ist es nötig, diese Wechselwirkung quantitativ vorhersagen zu können. Es ist daher Ziel dieses Vorhabens, die wissenschaftlichen Grundlagen zu entwickeln, um die industriellen Auslegungswerkzeuge für diese Herausforderung zu qualifizieren. In Zusammenarbeit mit der MTU Aero Engines AG sollen bereits im Auslegungscode TRACE implementierte Turbulenz- und Transitionsmodelle in einem ersten Schritt validiert und anschließend erweitert werden. Das Vorhaben widmet sich der verbesserten Vorhersage der periodisch-instationären Profilgrenzschichttransition auf Grundlage bei den Projektpartnern und in der Literatur vorhandener experimenteller, hochauflösend numerischer und analytischer Daten. AP 2.1: Standortbestimmung AP 2.2: Testsuite-Spezifizierung AP 2.3: Modell-Entwicklung AP 2.4: Modell-Kalibrierung AP 2.5: Modell-Prototyp AP 2.6: Modell-Validierung AP 4: Integration der Modelle.

COORETEC-Turbo 2020, Stabilität des Verdichtungssystems bei Off-Design Zuströmbedingungen' - Vorhaben 1.2.4a

Ziel der Untersuchungen dieses Verbundprojektes sind die Klärung und Identifizierung derjenigen Phänomene (Drall, Druckstörung, instationäre Effekte, etc.), die für eine Störung des Verdichters verantwortlich zeichnen. Der Fokus wird hier bei der Betrachtung großflächiger Inhomogenitäten liegen, wie sie bei kompakten Eintrittskonfigurationen von Gasturbinen zu erwarten sind. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei der Interaktion zwischen den Komponenten Einlauf und Turbomaschine gewidmet. Für den Industriepartner steht dabei die Entwicklung vereinfachter Modelle und Methoden zur Berechnung der Auswirkungen von großflächigen Eintrittsstörungen auf die Performance des Verdichters sowie zur Beschreibung der Kopplungsmechanismen zwischen Einlauf und Verdichter im Vordergrund, die für den industriellen Einsatz tauglich sind. Am Institut des Antragstellers erfolgen experimentelle Untersuchungen an der Triebwerksversuchsanlage der Universität der Bundeswehr. Die Auswahl und Auslegung geeigneter Einlaufkonfigurationen übernimmt der Projektpartner MTU. Im Rahmen dieses Verbundprojektes soll darüber hinaus die Anwendung numerischer Strömungssimulationen zum einen der Vorauslegung der experimentellen Versuchskonfiguration und zum anderen der detaillierten Berechnung der Strömungsphänomene in Einlauf und Verdichter dienen. Die Ergebnisse werden dem Projektpartner für die Entwicklung neuer Berechnungsverfahren und numerischer Methoden übergeben. Das Verbundprojekt behandelt einen wichtigen Teilaspekt bei der gezielten aerodynamischen Auslegung von effizienten kompakten Einläufen. Die Kenntnis über die Auswirkungen der großräumigen Strömungsinhomogenitäten und der Identifizierung der dominanten Strömungsphänomene kommt auch der Verdichterauslegung zugute, was auch den Systemwirkungsgrad anhebt. Dies mündet in einem verbesserten Auslegungsprozess bei MTU, so dass eine unmittelbare Umsetzung der Forschungsergebnisse in innovative, konkurrenzfähige Produkte gewährleistet ist.

HoLeGaMo: Erforschung und Entwicklung eines effizienten Hochleistungs-Gasmotors für den industriellen Einsatz in stationären und instationären Anwendungen

Ziel des Vorhabens ist es, bei Projektende einen monovalenten Erdgasmotor unter Verwendung des ottomotorischen Brennverfahrens als Antriebsmaschine für schwere industrielle Einsätze dargestellt zu haben. Es soll ein energieeffizientes und sehr schadstoffarmes Brennverfahren (besser als EU Stufe IV und Stufe V) mit hoher Leistungsdichte (ca. 30 kW/dm3) entwickelt werden. Im Vergleich zu Dieselmotoren weisen Ottomotoren, insbesondere in der Motorteillast, einen deutlich höheren Kraftstoffverbrauch auf. Durch die Verwendung einer intelligenten Ventilsteuerung soll dieser Verbrauchsnachteil minimiert werden. Die neuartigen Ventile der Firma NONOX ermöglichen eine nahezu drosselfreie Laststeuerung und damit eine deutliche Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades. Im Rahmen des Projektes ist es geplant, einen Demonstrator aufzubauen und diesen anhand von Motorprüfstandversuchen zur Validierung des Lastenhefts zu vermessen.

Mikrostrukturmodellierung zur Optimierung holzfaserbasierter Wärmedämmstoffe, Teilvorhaben 1: Physikalische Charakterisierung und Validierung

Transienten-Untersuchungen in der PKL-Versuchsanlage - PKL IIIi Systematische Untersuchungen zu T/H Phänomenen und Experimentelle Absicherung von Abfahrprozeduren

Carbon2Chem-L1: DynHySyn, Instationärer Betrieb eines Wasserelektrolyseurs zur Bereitstellung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff: Hierüber wird die Verknüpfung zwischen den Industriezweigen der Energie-, Stahl- und Chemie-Branche ermöglicht

Modellierung des Post-Dryout-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung an Brennstäben unter SWR- und DWR- relevanten Bedingungen

Für die Sicherheitsanalyse eines Leichtwasserreaktors spielt der Wärmeübergang vom Brennstab auf das Kühlmedium nach der Siedekrise (Post-Dryout, PDO) eine wichtige Rolle. Der Post-Dryout-Wärmeübergang bestimmt u.a. das Versagen des Hüllrohres. Eine Vielzahl von empirischen Modellen zur Beschreibung des PDO-Wärmeübergangs, die in Sicherheitsanalyseprogrammen verwendet werden, weichen jedoch teils erheblich voneinander ab. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Verbesserung und/oder die Entwicklung der Modellierung des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung. Dafür muss eine grundlegende experimentelle Datenbasis für die Weiterentwicklung und Validierung vorhandener und/oder neuer Modelle erweitert werden. Neue Temperaturmesstechnik und Visualisierungstechnik ermöglichen die Erfassung des thermischen Ungleichgewichts sowie die Visualisierung des Strömungsmusters und somit ein verbessertes Verständnis der physikalischen Vorgänge des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung. Die Aufgaben innerhalb des Vorhabens sind: Experimentelle Ermittlung des thermischen Ungleichgewichts, des Strömungsmusters und des Wärmeübergangskoeffizienten im PDO-Bereich und der Wiederbenetzung im stationären Zustand und mit Transienten. Durch optische Visualisierungstechnik werden physikalische und für PDO-Wärmeübergang und Wiederbenetzung relevante Vorgänge erkannt. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung neuer Modelle. Im theoretischen Teil werden Modelle zur Beschreibung des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung erstellt sowie Skalierungsmodelle entwickelt, mit deren Hilfe die Ergebnisse von Freon R-134a auf Wasser übertragen werden können. Zusammenfassend ergeben sich folgende Zielsetzungen: 1) Experimentelle Untersuchungen zum PDO-Wärmeübergang und der Wiederbenetzung unter stationären und transienten Bedingungen mit Schwerpunkt auf Phasenverteilung, Flüssigkeitstropfentransport und Dampftemperatur 2) Modellentwicklung für den PDO Wärmeübergang, die Wiederbenetzung und der Fluid-zu-Fluid Umrechnung unter Beachtung des thermischen Ungleichgewichts und des Strömungsmusters mit anschließender Validierung 3) Entwicklung eines Wiederbenetzungsmodells für prototypische Brennstäbe.

OptiTBC - Wärmedämmschichten mit optimierten Haftungseigenschaften für energieeffiziente Kraftwerksturbinen, Forschung und Entwicklung spektroskopischer und berührungsloser Messverfahren

Das Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung einer instationären Methode, welche mit Hilfe bildgebender Systeme die Ermittlung der Haftungseigenschaften keramischer Wärmedämmschichten (englisch: Thermal Barrier Coatings, TBCs) für den Einsatz in Kraftwerksturbinen ermöglicht. Dazu werden am ZAE Bayern die Zusammenhänge zwischen der Haftung bzw. Delamination von Schichten und der Temperatur- bzw. Reflexionsgradänderung untersucht und qualitativ erfasst. Die zu entwickelnde Methode kann sowohl bei der Schichtherstellung als auch während des Betriebs der Turbinen eingesetzt werden. Durch eine Verbesserung der Schichteigenschaften können höhere Betriebstemperaturen gefahren werden, was den Wirkungsgrad der Turbine und damit deren Energieeffizienz erhöht. Die zerstörungsfreie Überwachung der Schichten reduziert außerdem die Anzahl der Wartungsintervalle in denen die Turbine stillsteht und die Schaufeln evtl. ausgetauscht werden müssen, wodurch auch die Ressourcen- und Kosteneffizienz erhöht wird. Die Arbeiten des ZAE Bayern umfassen im Wesentlichen die spektrale Charakterisierung der optischen und infrarot-optischen Eigenschaften von TBCs, um die Kamerasysteme auf die verschiedenen Spektralbereiche anzupassen, die experimentelle Bestimmung von Heizparametern zur Induzierung einer Temperaturvariation, die theoretische Modellierung des Zusammenhangs von Haftungs-, Temperatur- und Reflexionsgradänderungen, sowie die Charakterisierung von Schichtsystemen mit dem im Vorhaben entwickelten Messverfahren. Die Aktivitäten des ZAE Bayern ergänzen dabei die der FHWS synergetisch. Während der Schwerpunkt der FHWS auf zweidimensional messenden Kamerasystemen liegt, wird das ZAE Bayern punktuelle, spektral-auflösende Verfahren zur umfassenden Charakterisierung der keramischen Wärmedämmschichten einsetzen. Darüber hinaus werden am ZAE Bayern Messungen zur Erfassung der Delamination von Schichten an den von Rauschert präparierten Proben durchgeführt.

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