Ziel des Teilprojekts in Zusammenarbeit mit den Partnern ist Design, Fertigung und Test eines 'HTS retrofit Rotors' für einen mid-speed Generator für die Windkraft. Dabei unterstützt das KIT ITEP in mehreren Arbeitspaketen mit der besonderen Expertise in Hochtemperatursupraleitern (HTS), in Kryotechnologie und im Design von HTS-basierten rotierenden Maschinen.
Gasturbinen für den flexiblen Einsatz zur Stromerzeugung aus synthetischen Brennstoffen werden kleine, robuste Einheiten mit kompakten Radialverdichtern sein. Ein Ziel des Teilvorhabens ist die Verifizierung des Designs einer Radialverdichterstufe mit erweitertem Arbeitsbereich mit transsonischen Zuströmbedingungen. Die hohen Machzahlen im Gehäusebereich des Laufradschaufeleintritts sind die Folge von hochbelasteten Stufen, die bei hohen Drehzahlen einen großen Arbeitseintrag liefern sollen. Ein Gleichdrall in der Zuströmung zum Rotor reduziert die relative Machzahl und damit auch die Stoßverluste im Rotor, senkt aber gleichzeitig den Arbeitseintrag ab, wenn nicht die Umlenkung der Strömung im Rotor oder der Austrittsradius angepasst wird. Passend zu einer bestehenden Stufe ohne Vordrall soll eine Stufe mit Vordrall und gleichem Arbeitseintrag untersucht werden, um durch die reduzierten relativen Machzahlen einen hohen Wirkungsgrad und einen breiten Arbeitsbereich zu erzielen. Hochtemperatur-Thermalfarbverfahren zur Ermittlung der tatsächlichen Bauteiltemperaturen in hochbelasteten Turbinenkomponenten sind ein wichtiges Validierungselement der numerischen Auslegungswerkzeuge. Derzeit werden die Temperaturumschlaglinien aufwändig händisch gelesen und ausgewertet. Zusammen mit der TU Dresden (AP1.3) soll das Postprocessing der Thermalfarben-Analysen mittels farbiger digitaler Zwillinge verbessert werden. Der automatisierte Prozess wird zu einer signifikanten Zeitersparnis führen. Weiterhin ermöglicht die durchgängige Digitalisierung des Prozesses die Erstellung einer digitalen 'Bibliothek' von Thermalfarbkomponenten und bildet das Fundament für die Anwendung von Methoden der Künstlichen Intelligenz zur Verbesserung der Auswertung von Temperaturumschlagslinien.
Zielsetzung: Entwicklung einer Windpumpenanlage fuer Schwachwindgebiete, die mit einer Kopplung von Verdichter (am Rotor) und pneumatisch betriebener Tiefbrunnenpumpe arbeitet. Insbesondere muessen dazu ein Verdichter mit an die Erfordernisse angepasster Kennlinie und eine geeignete Pumpe entwickelt werden. Das Prinzip erscheint aussichtsreich fuer den Einsatz in technisch niedrig entwickelten Trockengebieten. Arbeitsprogramm: Voruntersuchungen zur Realisierbarkeit und Abschaetzung der erreichbaren Leistungsfaehigkeit von Verdichter, Pumpe und Leistungsuebertragung sowie des Gesamtwirkungsgrades. Parallel dazu Konkretisierung der Einsatzbedingungen; Konstruktion der Komponenten der Anlage; Bau und Erprobung zunaechst an der Hochschule, dann im Anwenderland.
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.
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.
Die Ziele des Forschungsvorhabens sind es festzustellen, wie sich Vereisung auf Messgeraete und Windkraftanlagen auswirkt und geeignete Gegenmassnahmen zu entwickeln. Hierzu sind insbesondere folgende Fragen zu beantworten: - wie verhalten sich WKA und Messgeraete bei Vereisung, - mit welchen Messgeraeten kann Vereisung bzw. Eisansatz an WKA festgestellt werden, - welche Sicherheitsrisiken resultieren aus Eisansatz (z. B. Abschleudern von Eisstuecken, Schaeden an WKA bei veraenderter Geometrie der Fluegel, bei einseitiger mechanischer Belastung), - wie gross ist die Energieeinbusse durch gestoerten Betrieb bei Vereisung, - mit welchen Verbesserungen an WKA und Messgeraeten kann dem Problem der Vereisung begegnet werden (beheizte Anemometer, beheizte Rotorblaetter) , Beschichtung von Rotorblaettern , - welche meteorologischen und standortspezifischen Faktoren fuehren zu Vereisung, Erarbeitung von Vereisungskarten, - haben unterschiedliche Arten der Eisbildung unterschiedliche Wirkungen.
Das Projekt DIMOR zielt auf die Verbesserung und Validierung aerodynamischer Modelle für die Auslegung großer Rotoren von Off- und Onshore-Windturbinen, um die Energiegestehungskosten weiter zu senken. Die verbesserte Genauigkeit aerodynamischer Modelle wird die Entwicklungsrisiken sehr großer Windenergieanlagen senken. Die binationale Zusammenarbeit zwischen den Niederlanden und Deutschland unter dem Schirm der SET Wind-Initiative besteht aus zwei komplementären, national geförderten Teilprojekten. In aeroelastischen Simulationen basierend auf der industriell angewandten Blattelementimpulstheorie haben sich erhebliche Unsicherheiten in der Modellierung und eine Überschätzung von Ermüdungslasten aufgrund der stark inhomogenen und dynamischen Einströmung gezeigt. Bei ForWind - Universität Oldenburg sollen avancierte Windkanaluntersuchungen mit einem aktiven Gitter zur Erzeugung realitätsnaher Windfelder mit Scherung, Turbulenz und Böen, einer regelbaren, instrumentierten Modellwindturbine sowie umfangreicher Strömungsmesstechnik durchgeführt werden. Hiermit kann die Lücke zwischen klassischen Windkanalexperimenten in homogener Anströmung und Freifelduntersuchungen gefüllt werden. Aeroelastische Simulationen mit Free Vortex Wake Modellen bei TNO, Niederlande sollen den Datensatz erweitern. Hiermit sollen verbesserte Ingenieurmodelle und deren Implementierung zur genaueren Abbildung des Dynamic Inflow-Effekts in realitätsnaher inhomogener Anströmung erforscht und validiert werden. Die durch den Industriepartner Suzlon Energy Ltd. in Deutschland bzw. den Niederlanden durchgeführte Freifeldexperimente bzw. weitere Simulationsstudien sollen zur Validierung und Bewertung anhand realer Anlagen genutzt werden. Der Einfluss der Verbesserungen auf die Regelung und Lasten soll untersucht werden. Die verbesserten aerodynamischen Modellierungen, die in industrielle Entwurfssoftware implementiert werden können, sollen der gesamten Windenergiebranche zur Verfügung stehen.
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