Abb. 2: Numerische Fluid-Struktur-Interaktion-Simulation einer piezoadaptiven Verdichterschaufel der Gasturbine
Projekt:TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen
Förderung: DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft / SFB 1029
Projektlaufzeit: 01.04.2012 - 31.03.2021
Kurzbeschreibung: Die zwingend notwendige, signifikante Erhöhung der Effizienz von Gasturbinen wird im SFB 1029 durch den Wechsel weg von der Gleichdruckverbrennung hin zu einer Gleichraumverbrennung mit einem prinzipiell höheren thermodynamischen Wirkungsgrad verfolgt. In den beiden vorangegangenen Förderperioden wurden dazu zwei Verbrennungskonzepte eingehend erforscht, die eine nahezu Konstant-Volumen-Verbrennung erreichen können. So wurden die Charakteristika der klassischen Detonationsverbrennung (Pulsed Detonation Combustion) untersucht, bei der der Verbrennungsvorgang durch gasdynamische Stoßwellen so schnell abgeschlossen wird, dass es nicht zu einer Ausdehnung des Gases kommen kann. Die dabei auftretenden, extremen Druckpulsationen können durch das vielversprechende Konzept der stoßfreien Verbrennung (Shockless Explosion Combustion) deutlich gemildert werden. Hierbei wird durch gezielte Schichtung des Brennstoffs und Ausnutzung akustischer Phänomene eine homogene Selbstzündung mit niedrigeren Druckschwankungen erreicht. In der dritten Förderperiode wird zusätzlich die rotierende Detonationsverbrennung (Rotating Detonation Combustion) als drittes Konzept mit aufgenommen. Die Verbrennung erfolgt hier über eine umlaufende Stoßwelle bei deutlich höheren Frequenzen, was für den Einsatz in Gasturbinen Vorteile mit sich bringen kann. Alle Konzepte der Gleichraumverbrennung führen aufgrund ihres periodisch pulsierenden Betriebs zu hochgradig instationären Randbedingungen für die Turbokomponenten der Gasturbine. Daher wurden in der zweiten Förderperiode Methoden und Experimente aufgebaut, die sich auf die Möglichkeiten fokussieren, die Druckschwankungen an den Schnittstellen zwischen Verdichter, Brennkammer und Turbine soweit wie möglich zu reduzieren. Die Maßnahmen, eine sichere Kühlung der ersten Turbinenstufe zu garantieren und die Strömungsstabilität im Verdichter durch aktive Strömungsbeeinflussung zu erhalten, wurden weiter erforscht. Ein Ziel ist es dabei, den dazu erforderlichen Mehraufwand so gering wie möglich zu halten, um die thermodynamischen Effizienzgewinne der Verbrennung nicht wieder zu verlieren. In der dritten Förderperiode soll nun ein signifikanter Schritt in Richtung realistische Anwendungsumgebung getan werden. Aus diesem Grunde wird auch die bisher auf die Thermodynamik konzentrierte Betrachtung der Gesamtmaschine um strukturmechanische Fragestellungen erweitert. Die bisherigen Erkenntnisse fließen in der dritten Förderperiode in den Aufbau eines Demonstrators ein, der sowohl als Plattform zur Entwicklung von Prozessführungskonzepten für verschiedene Betriebspunkte wie auch zur Gewinnung von Randbedingungen für die einzelnen Modulprüfstände dienen wird.
Projektziel:
Teilprojekt B01: Aktive Strömungskontrolle an Statorgittern bei periodisch-instationären Randbedingungen:Ziel des Teilprojektes ist es, die Ergebnisse der vorangegangenen Förderperioden zur aktiven Beeinflussung von hochbelasteten Strömungen in Verdichtern auf realitätsnahe Bedingungen zu übertragen. Zum einen werden dazu experimentelle Untersuchungen an zwei Hochgeschwindigkeitsprüfständen durchgeführt, um ein Aktuatorsystem zu entwickeln, das im relevanten Machzahlbereich mit einer Anströmung bis Ma∞= 0.6 eingesetzt werden kann. Zum anderen werden mit Hilfe numerischer Strömungssimulationen fluidische Aktuatoren für den Einsatz in kompressiblen Strömungen ausgelegt. Ziel ist es hierbei, die Aktuatorcharakteristik an turbomaschinenähnliche Randbedingungen anzupassen. An der Linearkaskade erfolgt die experimentelle Vermessung und Anpassung der fluidischen Aktuatoren. Anschließend wird die strömungsbeeinflussende Wirkung des gesamten Aktuatorsystems im Ringgitterprüfstand unter dem Einfluss periodisch-instationärer Randbedingungen untersucht.
Teilprojekt B02:Beeinflussung der instationären Rotor-Stator-Wechselwirkung durch adaptive Schaufelsysteme bei periodischer Androsselung: Der Schwerpunkt des Teilprojekts ist die gezielte Beeinflussung der instationären Strömungsvorgänge zwischen dem Rotor- und Statorgitter eines Verdichters über adaptive Schaufelgeometrien zur Beherrschung der Strömungseffekte unter stark fluktuierenden Randbedingungen. Dabei werden die Schaufeln mit regelbaren Klapp- und Wölbmechanismen modifiziert und deren Auswirkung auf die Strömungsfelder untersucht. Dabei ist die gezielte Einflussnahme auf die Strömung eine wichtige Voraussetzung für einen stabilen und effizienten Verdichterbetrieb, insbesondere im Zusammenhang mit der geplanten, druckerhöhenden, pulsierenden Verbrennung.
Veröffentlichungen:
[1] Werder, Tobias; Kletschke, Lukas; Liebich, Robert: "Experimental Investigations of Active Flow Control Using a Piezo Adaptive Blade in a Compressor Cascade Under Periodic Boundary Conditions with High Strouhal-Number". Papers Contributed to the Conference Active Flow and Combustion Control 2021 , September 28-29, 2021, Berlin, Germany, Seite 358. http://doi.org/10.1007/978-3-030-90727-3_19
[2] Werder, Tobias; Liebich, Robert; Neuhäuser, Karl; Behnsen, Clara; King, Rudibert: "Active Flow Control Utilizing an Adaptive Blade Geometry and an Extremum Seeking Algorithm at Periodically Transient Boundary Conditions". ASME Band Vol. 143, Seite 6. 02.2021.https://doi.org/10.1115/1.4049787
[3] Motta, V., Malzacher, L., Bicalho Civinelli de Almeida, V., Phan, T. D., Liebich, R., Peitsch, D., and Quaranta, G.: "A Physically Consistent Reduced Order Model for Plasma Aeroelastic Control on Compressor Blades". ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. September 2019; 141(9): 091001. https://doi.org/10.1115/1.4043545.
[4] Civinelli de Almeida, Victor Bicalho; Malzacher, Leonie; Liebich, Robert; Motta, Valentina; Phan, Tien Dat; Peitsch, Dieter: "Aeroelastic control of compressor blades in transonic flow using plasma actuators". 15th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics & Aeroelasticity of Turbomachines ISUAAAT 15 University of Oxford, UK 24. - 27.09.2018.
[5] Neumann, P.; Motta, Valentina; Malzacher, Leonie; Phan, Tien Dat; Liebich, Robert; Peitsch, Dieter; Quaranta, Giuseppe: "Reduced order modeling for plasma aeroelastic control of airfoils in cascade: Dynamic mode decomposition". IUTAM Symposium on Critical flow dynamics involving moving/deformable structures with design applications. Santorini, Greece 18. - 22.06.2018.
[6] Phan, Tien Dat; Springer, Patrick; Liebich, Robert: "Numerical Investigation of an Elastomer-Piezo-Adaptive Blade for Active Flow Control of a Nonsteady Flow Field Using Fluid–Structure Interaction Simulations". ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 139, Issue 92017. https://doi.org/10.1115/1.4036107.
[7] Hammer, Steffen; Peter, Julija; Thamsen, Paul Uwe; Phan, Tien Dat; Liebich, Robert: "Adaptive Blade Systems for Increased Operating Range of a Turbomachine". ASME/JSME/KSME 2015 Joint Fluids Engineering Conference. Seoul, South Korea 26. - 31.07.2015.https://doi.org/10.1115/AJKFluids2015-33762.
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