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Mehr als 65.000 Gasturbinen sind weltweit, in einem breiten Anwendungsgebiet von Kraftwerken bis zu Flugzeugtriebwerken, im Einsatz. Besonders für die stationären Gasturbinen ist die Steigerung des Wirkungsgrades das wichtigste Forschungsziel, um die Betriebskosten sowie die Treibhausgasemission zu senken.

Konventionelle Wege um den Wirkungsgrad zu steigern, wie beispielsweise eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur, erreichen ihre Limits und in der Zukunft sind nur noch kleine Verbesserungen zu erwarten.

Eine große Steigerung des Wirkungsgrades kann hingegen durch eine grundlegende Änderung des eigentlichen Verbrennungsprozesses erreicht werden. Das Verbrennen des Treibstoffs bei konstantem Volumen, anstatt bei konstantem Druck, resultiert in einer deutlichen Steigerung der thermodynamischen Effizienz. Allerdings bringt ein neues Verbrennungskonzept auch viele Herausforderungen für die gesamte Gasturbine mit sich.

Die Entwicklung einer Gasturbine mit isochorer Verbrennung ist das Ziel des SFB 1029 „Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen“, der von der DFG gefördert wird.

 

 

Das Teilprojekt B06: „Schnelle Regelung instationärer Effekte in Turbomaschinen [1]“

Eine „pulsed detonation engine“ (PDE) verbrennt den Treibstoff annähernd isochor, indem einzelne Detonationen in Detonationsrohren gezündet werden. In einer Gasturbine werden mehrere solcher Detonationsrohre über den Umfang verteilt dort eingebaut, wo normalerweise die ringförmige Brennkammer sitzt. Die Detonationen werden dann umlaufend gezündet, um im Mittel einen konstanten Massenstrom für die Gasturbine zu gewährleisten.

Auf den Kompressor wirken durch dieses neue Verbrennungskonzept über den Umfang verteilte stark instationäre Austrittsbedingungen, da dieser lokal angedrosselt wird, wenn ein Detonationsrohr feuert und gerade keine Luft benötigt wird. Der sich ändernde Druckgradient sorgt für schnelle Änderungen des Inzidenzwinkels an den einzelnen Kompressorschaufeln.

Der Inzidenzwinkel ist eine wichtige Kenngröße für die aerodynamische Belastung der Kompressorschaufeln. Ein großer Inzidenzwinkel führt zu einer großen aerodynamischen Belastung und ab einem kritischen Winkel zur Strömungsablösung auf der Saugseite der Schaufel. Diese Strömungsablösung kann zu rotierendem Strömungsabriss (rotating stall) führen, der unbedingt für alle Betriebspunkte verhindert werden muss.

Das Risiko von rotating stall kann durch einen großen Pumpgrenzenabstand in dem Kompressorkennfeld gesenkt werden. Allerdings liegt der Arbeitspunkt höchster Effizienz immer nah an eben dieser Pumpgrenze, weshalb der Abstand so klein wie möglich gehalten werden sollte.

Die geometrisch festen Statorschaufeln können nicht auf die sich verändernden Strömungsbedingungen reagieren und eine Kompressorstufe muss daher immer für den kritischsten Fall (worst case) ausgelegt werden. Dies führt jedoch zu einem geringen Druckaufbau pro Kompressorstufe und einem insgesamt schlechten Wirkungsgrad für den Verdichter. Die Alternative ist der Einsatz von aktiver Strömungsbeeinflussung (active flow control, AFC), um gezielt auf Strömungsänderungen reagieren zu können.

Die folgenden aktuellen Forschungsergebnisse zum Teilprojekt B06 haben das Ziel, mittels AFC die maximale aerodynamische Belastung der Schaufeln zu reduzieren, um somit ein effizientes Kompressordesign zu ermöglichen.

Aktuelle Forschungsergebnisse:

“Closed-Loop Active Flow Control of the Wake of a Compressor Blade by Trailing-Edge Blowing”

Es wurde eine Regelungsstrategie zur gezielten Reduktion des Geschwindigkeitsdefizits in der Nachlaufströmung einer Statorschaufel entwickelt. Diese kann genutzt werden, um die Nachlaufdellen immer dort aufzufüllen, wo der Kompressor gerade angedrosselt wird, um die Spitzenlasten zu verringern. Dies ist in der Abbildung 1 qualitativ dargestellt.

Deshalb wurden Versuche zur Nachlaufbeeinflussung durch Hinterkantenaktuation (trailing-edge-blowing) an einer neuen linearen Statorkaskade bei niedrigen Machzahlen durchgeführt, siehe Abbildung 2. Detaillierte Informationen über das Geschwindigkeitsprofil der Nachlaufdelle wurden durch Messungen mit einer 5-Loch-Sonde in einer Ebene stromabwärts der Statorschaufeln bei aktuierter und nicht aktuierter Strömung bei einer Reynoldszahl von 600.000 gewonnen. Diese Messungen zeigen eine starke Reduktion der Nachlaufdelle mit einem Aktuationsmassenstrom von weniger als 1% des Passagenmassenstroms.

Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Position gewählt, die repräsentativ für den Effekt der Aktuation auf das Geschwindigkeitsdefizit ist. Dort wird eine Hitzdrahtsonde eingesetzt, die als Regelgröße dient. Um nichtlineare Effekte mit zu berücksichtigen, wurde ein Satz von linearen Modellen aus Experimenten an verschiedenen Arbeitspunkten identifiziert. Die stationäre Nichtlinearität wurde mit einem Hammersteinmodell kompensiert, um die Modellunsicherheit zu reduzieren und eine höhere Reglerbandbreite zu erzielen. Um Abweichungen vom Referenzbetriebspunkt mit zu berücksichtigen, wurde ein robuster Regler, der in einem Bereich von Reynoldszahlen von 500.000 bis 700.000 arbeitet, synthetisiert. Der Regler hat die Aufgabe die Regelgröße auf einen gewünschten Geschwindigkeitsverlauf zu regeln, indem die Ausblasamplitude angepasst wird. Der ausgelegte robuste Regler wurde erfolgreich, mit guten Ergebnissen im Folgeverhalten bei einer hohen Bandbreite, am Versuchsstand getestet, siehe Abbildung 3.

 

 

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