Mittels CFD-Simulationen kann die Performance einer Kreiselpumpe (Förderhöhe, Wirkungsgrad, NPSH in Abhängigkeit des Volumenstroms) für den Auslegungspunkt und kleinen Abweichungen von ihm in der Regel gut ermittelt werden. Mit zunehmenden Abweichungen vom Auslegungspunkt nimmt die Qualität der CFD-Simulation ab, d.h. dass die Unterscheide zwischen CFD-Daten und Messergebnissen zunehmen. In diesem Teilprojekt soll mittels einer KI-Anwendung diese mangelnde Qualität der CFD-Ergebnisse für den Teil- und Überlastbereich kompensiert werden. Dazu sollen bereits vorhandene CFD-Daten und Ergebnisse von Performance-Messungen an Kreiselpumpen genutzt werden, um eine KI-Anwendung zu trainieren. Zusätzliche Ergebnisse von CFD-Simulationen und Performance-Messungen an Kreiselpumpen sollen im Projekt durchgeführt werden und fehlende Trainingsdaten geeignet ersetzen. Nach Beendigung des Trainingsprozesses soll eine KI-Anwendung zur Verfügung stehen, die es ermöglicht, auch für den extremen Teil- und Überlastbereich Kennlinien mit einer hohen Qualität zu erhalten. Die Forschungsfragen, die sich bezüglich dieser Zielsetzungen ergeben, beinhalten die Auswahl und Aufbereitung von CFD-Daten und Ergebnissen von Performance-Messungen. Im Teillastbereich nimmt die Komplexität der Strömungsphänomene erheblich zu und es können die sogenannten Kennlinienstabilitäten auftreten, die für Gliedergehäuse- und Spiralgehäusepumpen einen unterschiedlichen Charakter besitzen, was bei der KI-Anwendung berücksichtigt werden muss. Die KI-Anwendung entspricht einem Deep Learning Ansatz bestehend aus einem neuronalen Netz, dessen Topologie geeignet gewählt werden muss. Dazu gehört die Festlegung der Knoten der Eingangsschicht, die Anzahl der 'Hidden Layers' und die Anzahl der jeweiligen Knoten der 'Hidden Layers'. Die Knoten der Ausgangsschicht bestimmen die Auflösung der resultierenden Kennlinie. Die KI-Anwendung soll mit der institutseigenen Software Deep-SAM-Learning (D-SAM-L) entwickelt werden.
Ziel der Entwicklung stark flexibel operierender Pumpensysteme für hohe Druckverhältnisse, Temperatur- und Mengenschwankungen ist es, die Anforderungen an Pumpensysteme für stark schwankende Betriebsbedingungen hinsichtlich der Erhöhung ihrer Flexibilität bei gleichzeitiger Steigerung des Teillastwirkungsgrades und unter Beibehalt oder Erhöhung ihrer Lebensdauer abzuleiten. Diese Anforderungen sind durch die Entwicklung hochflexibel betreibbarer Pumpensysteme umzusetzen. Derartige flexible Pumpensysteme werden bspw. in Dampfkraftwerken (für Komponenten im Wasser-Dampf-Kreislauf und im Kühlkreislauf, aber auch in vor- und nachgeschalteten Prozesskreisläufen) sowie in chemischen und verfahrenstechnischen Prozessen mit hydraulischen Kreisläufen benötigt. In den Kreiselpumpen dieser Systeme entsteht durch die Druckerhöhung über die Laufräder ein Axialschub auf den Rotor, welcher i.d.R. durch Axialschub-Entlastungseinrichtungen reduziert werden muss, um Axiallager zu entlasten. Der Einfluss von Axialschub-Entlastungseinrichtungen auf die Rotordynamik der Pumpe, welcher insbesondere bei flexiblem Betrieb eine wesentliche Rolle spielen kann, ist jedoch weitgehend unerforscht. In flexibel operierenden Pumpensystemen erfahren drehzahlgeregelte Pumpen Anregungen der Struktur mit der Drehfrequenz und ihren Vielfachen über einen ausgedehnten Frequenzbereich. Resonanzen in diesem breiten Drehzahlbereich können leicht zum Ausfall der Maschine und des Systems führen, weswegen sie zwingend zu vermeiden sind. Dafür ist insbesondere auch die sichere Kenntnis der rotordynamischen Koeffizienten von Axialschub-Entlastungseinrichtungen notwendig, die in diesem Teilprojekt untersucht werden. Dafür wird ein spezieller Prüfstand erweitert und Axialschub-Entlastungseinrichtungen experimentell untersucht. Außerdem werden Simulationen der Spaltströmung durchgeführt.
The energy sector accounts for two thirds of the global CO2 emissions and is therefore crucial to ensure future green growth and to achieve the global emission reduction targets. Substantial reduction of CO2 emissions can only be achieved by large scale deployment of renewable energy sources, including in particular the most abundant energy sources, wind and sun. Their intermittent nature however poses significant challenges for the energy system as peak demand from the system and peak production form those intermittent sources do not overlap. As there are no large scale storage solutions available yet, other backup capacities are needed. The installed fossil capacity is large enough to provide this back-up power. However, the plants were designed for baseload operation, which results in increased wear and costs through cyclic operation and unnecessarily high emissions in the start-up phase.
Providing technology upgrades to retrofit the installed power plants to enable flexible operation without penalties on life, cost and emissions is an opportunity to quickly provide the necessary backup capacity to keep the energy system stable and resilient and at the same time enabling higher renewable shares.
TURBO-REFLEX will follow this approach and has selected technologies for retrofitting critical parts of thermal power plants which have already seen experimental proof-of-concept and are expected to significantly contribute to flexible operation. The technologies will reduce the minimum load, increase the ramp rates and reduce the costs per cycle. This will be achieved by new compressor designs for off-design operability, technologies in the hot gas path, in combustor and turbine, and by new materials, models and sensors to monitor and ensure the mechanical integrity in flexible operation. An integrated assessment will provide not only the technological but also the economic benefits for plant operators, thus ensuring a swift implementation of TURBO-REFLEX technologies.
Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Bereitstellung von verbesserten bzw. neuen Berechnungsgleichungen sowie von Auslegungsempfehlungen zur Vermeidung von Gasmitriss in Pumpenzuläufen. Da sich ein Gasmitriss nicht immer konstruktiv ausschließen lässt, erfolgt darüber hinaus die Beschreibung des Gasmitrisses in Pumpenzuläufen und des hieraus resultierenden Einfluss auf Kreiselpumpe und Armaturen. Dafür sollen theoretische Modelle entwickelt, experimentell an groß- und kleindimensionierten Anlagenkomponenten validiert und ggf. mit physikalisch begründeten Ansätzen (z.B. lokal unterschiedliche Turbulenzmodelle) an reale Prozesse angepasst werden. Neben technischen Zielen werden mit dem beantragten Projekt auch aktuelle gesellschaftspolitische Ziele verfolgt, da Nachwuchskräfte für den sicheren Betrieb kerntechnischer Anlagen ausgebildet werden. Im vorgestellten Projekt soll über eine Projektlaufzeit von 3,5 Jahren das Verhalten von sicherheitstechnisch wichtigen Komponenten unter kritischen Betriebsbedingungen von Leichtwasserreaktoren untersucht und vorhergesagt werden. Wesentliche Inhalte sind hierbei die Wirbelbildung im Pumpenzulaufbecken sowie die Auswirkung von Luftmitriss auf Systemkomponenten wie Kreiselpumpe und Armaturen. Diese Komponenten werden hierfür detailliert experimentell untersucht, modelliert und numerisch simuliert. Bestehende, erweiterte und neue Modelle zur Vorausberechnung werden experimentell validiert sowie ggf. erweitert.
1. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Bereitstellung von verbesserten bzw. neuen Berechnungsgleichungen sowie von Auslegungsempfehlungen zur Vermeidung von Gasmitriss in Pumpenkreisläufen. Da sich ein Gasmitriss nicht immer konstruktiv ausschließen lässt, erfolgt darüber hinaus die Beschreibung des Gasmitrisses in Pumpenkreisläufen und des hieraus resultierenden Einfluss auf Kreiselpumpe und Armaturen. Dafür sollen theoretische Modelle entwickelt, experimentell an groß- und kleindimensionierten Anlagenkomponenten validiert und ggf. mit physikalisch begründeten Ansätzen (z.B. lokal unterschiedliche Turbulenzmodelle) an reale Prozesse angepasst werden. 2. Arbeitsplanung: Die Forschungsarbeiten bestehen in der experimentellen Analyse und numerischen Simulation sicherheitsrelevanter Schlüsselstellen entlang der Wirkungskette von Pumpenkreisläufen, wie sie auch in Leichtwasserreaktoren Anwendung finden. Darauf aufbauend sollen Auslegungsempfehlungen für die Verbesserungen ausgesuchter Systemkomponenten erarbeitet werden. Als Schlüsselstellen wurden das Pumpenzulaufbecken, die Kreiselpumpe und Armaturen zur Durchflussregelung identifiziert. Um eine sicherheitsrelevante Beurteilung und störfalltolerante Auslegung gewährleisten zu können, müssen sowohl numerische Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden.