Verbundprojekt KüpLe
Die für eine hohe Effizienz der Gasturbine notwendigen hohen Prozesstemperaturen und –drücke erfordern zur technischen Realisierung im mit Heißgas beaufschlagten Bereich Bauteile aus hochwarmfesten Materialen. Neben der Weiterentwicklung von Materialen mit hoher Temperaturstandfestigkeit kommt der Entwicklung geeigneter Kühlmethoden eine zentrale Rolle zu. Die zur Kühlung benötigte Luft von bis zu 20% des im Verdichter umgesetzten Luftmassenstroms entzieht dem Hauptgaspfad und damit dem Gesamtsystem Arbeit. Das Ziel bei der Entwicklung von Kühlungstechnologien war und ist die Minimierung der eingesetzten Kühlluft, um sowohl die für den thermischen Wirkungsgrad hohen Prozessdrücke und -temperaturen zu erreichen als auch die parasitären Verluste zu minimieren.
Problemstellung - Verkürzte Lebensdauer und verminderte Wirtschaftlichkeit durch höhere zyklische Belastung beim flexiblen Betrieb:
Zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung durch eine Gasturbine spielen verschiedene Faktoren wichtige Rollen. Neben den Investitionskosten sind die Betriebskosten von entscheidender Bedeutung. Bislang dominieren die Brennstoffkosten diesen Bereich; die Prozesseffizienz ist neben dem ökologischen Aspekt der CO2 Reduzierung deshalb auch aus ökonomischen Gesichtspunkten wichtig. Durch die zunehmende Anforderung nach einem flexibleren Betrieb der Anlagen mit kurzen Betriebszeiten, vielen Zyklen und schnellen An- und Abfahrvorgängen wird die Lebensdauer der Bauteile durch die zyklische Belastung deutlich reduziert. Dazu müssen sowohl eine verbesserte Teillasteffizienz der Anlage als auch eine erhöhte Lebensdauer der Komponenten erzielt werden. Gleichzeitig muss sich die erreichbare Zyklenzahl/Lebensdauer signifikant erhöhen.
Erhöhung der Lebensdauer und Maximierung der Effizienz durch intelligentes Design der Kühlsysteme
Neben den maximalen Temperaturen und mechanischen Lasten wird die Lebensdauer der heißgasbeaufschlagten Bauteile stark von den räumlichen und zeitlichen Gradienten beeinflusst; eine Optimierung der Kühlmethoden und ihrer Auslegung ist daher auch im Hinblick auf eine Maximierung der Lebensdauer eine wichtige Voraussetzung für den umweltfreundlichen und gleichzeitig wirtschaftlichen Betrieb von Gasturbinen zur Stromerzeugung im stark zyklischen Betrieb. Damit kommt der Entwicklung von numerischer Methoden und ihrer Validierung als Grundlage von zukünftigen Werkzeugen zur detaillierten Auslegung auch im transienten Bereich eine große Bedeutung zu.
Arbeitspakete
AP 1: Simulation und Analyse der Strömung in Rotor-Statorkavitäten in Turbinen
AP1 ist dem Bereich Kavitäten und Dichtungen zugeordnet, die zentraler Bestandteil des Luftsystems jeder Gasturbine sind. Dabei liegt der Fokus auf dem vertieften Verständnis der hochkomplexen dreidimensionalen Strömung in den Kavitäten im inneren Scheibenbereich auch zur Optimierung der Abdichtung gegen Heißgaseintritt.
AP 2: Aero-/Thermaluntersuchung von Schaufelspitzenkonfigurationen für kompakte Turbinen mit hoher Leistungsdichte
AP 3: Kühlluftausbreitung bei Filmkühlung
AP2 und AP3 konzentrieren sich auf die Endwandbereiche der Schaufel. Hierbei kommt es zur starken Interaktion zwischen den Sekundärströmungen des Hauptgaspfades und den Kühl- bzw. Dichtluftmassenströmen. Diese Wechselwirkung soll für das Gesamtsystem optimiert werden.
AP 4: Strömung und Wärmeübergang in Innenströmungen mit großen Wirbelskalen
AP 5: Effiziente Berechnung transienter konjugierter Wärmetransportvorgänge
In AP4 und AP5 liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Entwicklung von kombinierten numerischen Methoden mit verbesserter Vorhersagefähigkeit auch im transienten Bereich. Neue adaptive Dichtungssysteme, welche durch Geometrievariation die Spalthöhe anpassen können, erlauben deutlich geringe Sperrluftmassenströme. Das physikalische Verständnis im Teillastbereich als auch bei transienten Manövern ist für eine optimierte Auslegung noch nicht ausreichend.
AP 6: Adaptive Dichtungen für ein verbessertes Teillast und transientes Betriebsverhalten von Gasturbinen
Hier wird eine experimentelle Grundlage für verifizierte Korrelationen für die Auslegung von adaptiven Dichtungen geschaffen.
Projektstruktur
Zahlen und Fakten
Volumen
6.420 k€
Laufzeit
01.01.2019 - 31.12.2022