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TU Berlin

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B05: Untersuchung der Auswirkung einer druckerhöhenden pulsierenden Verbrennung auf die Filmkühlungseffektivität von Turbinenschaufeln

TP-Leiter:
Prof. D. Peitsch (mail [1])

WM: Dipl.-Ing. Alexander Heinrich (mail)
[2]Tel.   (030) 314 26919

Zusammenfassung

Das Forschungsvorhaben stellt ein Teilprojekt innerhalb des Sonderforschungsbereichs 1029 TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen dar.

Innerhalb des Teilprojektes B05 soll die Auswirkung einer pulsierenden, instationären Turbinenströmung, die durch die neuartigen Verbrennungskonzepte verursacht wird, auf die Filmkühlungseffektivität von Turbinenschaufeln untersucht werden. Das Hauptziel ist die Sicherstellung der Funktionsweise der Filmkühlung der Turbinenleiträder unter den geänderten Strömungsbedingungen, sowie das Aufzeigen von Möglichkeiten zur Reduktion des benötigten Sekundärluftbedarfs und somit der Möglichkeit einer weiteren Effizienzsteigerung der Gesamtmaschine.

Die Kühllufteinblasung baut einen gleichförmigen Kühlfilm entlang der Schaufeloberfläche auf. Dadurch wird nicht nur der direkte Kontakt der Schaufel mit dem Heißgas unterbunden, der Kühlfilm wirkt gleichzeitig als Wärmesenke, der die mittlere Temperatur innerhalb der Grenzschicht absenkt. Bei optimaler Filmkühlung bildet sich ein zusammenhängender Kühlfilm mit ausreichendem Kühlpotential über die gesamte Schaufeloberfläche. Bei defektem oder unzureichendem Kühlfilm führt die thermische Belastung innerhalb kürzester Zeit zu einer Beschädigung und/oder der Zerstörung der Schaufel. Daher wird in diesem Projekt untersucht, wie sich die Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen auf das lokale Strömungsfeld des Kühlungsfilms auswirken.

Zunächst werden in einem instationären Niedergeschwindigkeitskanal Grundlagenversuche zur Beeinflussung des Kühlfilms durch die Druckschwankungen durchgeführt. Die Größe des Versuchsträgers erlaubt hierbei eine sehr gute zeitliche und räumliche Auflösung dieses Einflusses.

Aufbau des TU-Pulse-Prüfstandes
Lupe [3]

Die zeitlich veränderlichen Strömungsbedingungen im Bereich der Vorderkante des Turbinenstators spielen eine entscheidende Rolle für die aerodynamische Leistungsfähigkeit sowie für die Effektivität der Filmkühlung. Zur Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Varianz an der Vorderkante wurde der TU-Pulse-Prüfstand entworfen und in Betrieb genommen.

Die repräsentative Darstellung der Verbrennung, in dem auf einer axiale Turbinenstufe aus dem Bereich der Mikrogasturbinen basierende Prüfstand, wird über eine zeitabhängige Teilbeaufschlagung der Zuströmung realisierst. Die charakteristischen Druckwellen werden dabei durch 42 magnetische Schnellschaltventile generiert, welche stromauf den Turbinenplenums positioniert sind. Diese Konfiguration erlaubt die komplette Freiheit in Ansteuerung und Regelung dieser Ventile und somit die Erstellung von gleichzeitig oder in bzw. entgegen der Umfangsrichtung laufende sowie statistisch startende Feuerungsmusterkonfigurationen.

Vergleich des Drehsinns der Aktuation auf das Betriebsverhalten (CCW = in Drehrichtung des Rotors, CW = entgegen der Drehrichtung des Rotors)
Lupe [4]

Im Vergleich erzielen die simultan gepulsten Feuermuster die höchsten Drehzahlen gegenüber den umlaufenden Variationen. Bei den letzteren zeigen erste Ergebnisse, dass eine sequentielle Aktuation in der Drehrichtung des Rotors zu leicht höheren Drehzahlen des Rotors führt.

Weiterführende Experimente am Heiß-Akustik-Teststand schließen die Arbeiten ab. Im Fokus stehen hierbei die Untersuchungen zur Auswirkung der Druckschwankungen auf den Kühlfilm unter hohen Temperaturen.

2. Förderperiode 2016 - 2020

Publikationen

Heinrich, A., A. Berthold, D. Topalovic, R. King, F. Haucke und D. Peitsch (2019). Turbine Design Challengesinduced by Pressure Gain Combustion [5]. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Nr. DGLR-2019-490177

Heinrich, A. M. Herbig, D. Peitsch, D. Topalovic und R. King (2019). A Testrig to evaluate Turbine Performanceand Operational Strategies under pulsating Inflow Conditions [6]. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, Nr. AIAA 2019-4039. American Institute of Aeronautics and Astronautics

Herbig, M., A. Heinrich und D. Peitsch (2019). Design of a Testrig to evaluate Axial Turbine Performance underpulsating and steady Inflow Conditions [7]. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Nr. DGLR-2019-490177, Darmstadt

Topalovic, D., Wolff, S., Heinrich, A., Peitsch, D. and King, R. (2019). Minimization of Pressure Fluctuations in an Axial Turbine Stage Under Periodic Inflow Condition [8]s. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum

1. Förderperiode 2012 - 2016

Beeinflussung der Heißgasabdichtung im Fußbereich von Turbinenschaufeln

Zusammenfassung

Abb. 1: Versuchsstand
Lupe [9]

Innerhalb des Teilprojekts B05 wird der Einfluss der pulsierenden Verbrennung auf die Dichtkavität von Turbinenbeschaufelungen, welche den Heißgaseinzug in den Turbineninnenraum verhindern sollen untersucht. Dazu wird Dichtluft aus dem Sekundärluftsystem durch den Rotor-Stator-Zwischenraum gepumpt. Durch die Interaktion von Dichtluft mit dem heißen Hauptgasstrom ergeben sich aerodynamische Verluste. Es ist möglich die Effizienz der gesamten Gasturbine signifikant zu erhöhen, indem diese Strömungsverluste und die benötigte Sekundärluft reduziert werden. Mit Hilfe des Heiß-Akustik-Teststands (HAT, Abbildung 1) ist es möglich das Phänomen unter turbomaschinenähnlichen Bedingungen, also hohem Druck und hohen Temperaturen zu untersuchen.

 

Zu diesem Zweck wurde eine spezielle Messstrecke für den Kanal entwickelt und bebaut, welche neben einem optischen Zugang auch ein Plenum zur Versorgung mit Sekundärluft erlaubt. Um die pulsierende Verbrennung stromauf der Turbine zu simulieren, wurde ein Versuchsaufbau mit mehreren mit sekundärluftversorgten Schnellschaltventilen realisiert. Mittels zeitlich hochauflösender Drucksensoren kann der pulsierende Druckstoß erfasst werden, wenn dieser die Messstrecke durchläuft.

 

 

Abb. 2: Nachlaufdellen
Lupe [10]

Um die typische Druckverteilung entlang der Kavität zu erzeugen, wurde ein lineares Statorgitter ausgelegt. Der Druckverlust erlang des Gitters wurde mit Hilfe einer Fünf-Loch-Sonde und mit Particle-Image-Velocimetry (PIV) vermessen. Die damit erzeugten Nachlaufdellen für eine Machzahl von 0,35 sind exemplarisch in Abbildung 2 zu erkennen.

 

 

In einem nächsten Schritt sollen verschiedene Dichtgeometrien hinsichtlich ihrer Effizienz unter diesen instationären Bedingungen untersucht und bewertet werden.

Publikationen

Schliwka, T., Tiedemann, C. and Peitsch, D.: Interaction of Main Flow and Sealing Air across a Turbine Cavity under unsteady conditions; T., International Symposium on Air Breathing Engines, Phoenix, USA, ISABE-2015-21288, 2015

Schliwka, T., L. Malzacher, S. Chemnitz and D. Peitsch. Experimental investigation of a turbine sealing cavity exposed to free stream pressure fluction, Conference Active Flow and Combustion Control, Berlin, Germany, 10-12 September, 2014. typo3/ [11]

 

 

 

 

Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch
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Geschäftsführer

Steffi Stehr
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Sekretariat

Steffi Stehr
Sekr. ER 2-1
Raum 107
Hardenbergstr. 36a
10623 Berlin
Tel: 314 23110
E-Mail-Anfrage [14]
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