direkt zum Inhalt springen

direkt zum Hauptnavigationsmenü

Sie sind hier

TU Berlin

Inhalt des Dokuments

D01: Gesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung

TP-Leiter
Prof. Dr.- Ing. Dieter Peitsch (email [1])
Prof. Dr. Panagiotis Stathopoulos (email [2])

WM: Tim Rähse (mail [3])
Tel:   (030) 314 29379

WM: Nicolai Neumann (mail [4])
Tel:  (030) 314 29055

Zusammenfassung

Der periodisch instationäre Charakter druckerhöhender, nahezu isochorer Verbrennung in Gasturbinenprozessen führt zu hochgradig instationären Randbedingungen für alle Teilkomponenten des Systems. Die dadurch entstehenden Wechselwirkungen müssen in ihrer Bedeutung für die Gesamtmaschine beurteilt werden, um eine Aussage über den beabsichtigten Wirkungsgradgewinn und das zuverlässige Betriebsverhalten machen zu können. Diese gesamtheitliche Betrachtung ist Inhalt dieses Teilprojektes. Im Sinne dieses Ansatzes ist es das Ziel des Teilprojektes, eine detaillierte energetische und exergetische Analyse eines dynamischen Gasturbinenprozesses mit druckerhöhender Verbrennung unter Berücksichtigung der Auswirkungen instationärer und gasdynamischer Effekte auf die charakteristischen Betriebsparameter der einzelnen Komponenten zu ermöglichen.

1. Förderperiode 2016 - 2020

Zur Analyse von Gasturbinenprozessen mit druckerhöhender Verbrennung wurde ein Drei-Stufen-Konzept entwickelt. Dies basiert auf der schrittweisen Anhebung des Detailgrades der Kreisprozesssimulationen. Die drei unterschiedlichen Modellierungsstufen sind 0D, hybrid und 1D, welche im Folgenden erläutert werden.

0D-Modellierung - Thermodynamische Analyse der Kreisprozesse

In einer ersten Stufe wurden 0D-Modelle der Gasturbinenkomponenten verwendet. Für die druckerhöhende Verbrennung wurde zunächst auf bereits veröffentlichte Ansätze zurückgegriffen. Im Projektverlauf wurden diese angepasst und auch ein eigenes Modell der druckerhöhenden Verbrennung entwickelt (Mix-x-Modell in Abbildung 1), um eine höhere Übereinstimmung mit 1D-Simulationen zu erreichen.

Abb. 1: Druckverhältnis über Temperaturverhältnis für unterschiedliche Modelle der druckerhöhenden Verbrennung
Lupe [5]

Diese Modelle nehmen ein stationäres Betriebsverhalten an. Damit ergibt sich in Abhängigkeit der Eintrittsbedingungen und des Brennstoffeintrags ein äquivalenter thermodynamischer Austrittszustand der Brennkammer. Eine Gegenüberstellung der einzelnen Modelle ist in Abbildung 1 dargestellt. Hier wird das erzielte Druckverhältnis über der Brennkammer in Abhängigkeit des Temperaturverhältnisses über der Brennkammer gezeigt. Die 0D-Modelle sind rechnerisch sehr günstig und ermöglichen so umfangreiche Parameterstudien sowie eine Optimierung der Gasturbinenarchitektur u.a. durch einen genetischen Algorithmus. Bei den Optimierungsstudien wurde ein Modell verwendet, das den Kühlluftmassenstrom so anpasst, dass eine vorgegebene Schaufeltemperatur nicht überschritten wird. Aus den Optimierungen konnten Auslegungsregeln für die Gasturbine abgeleitet werden. So zeigt sich, dass durch druckerhöhende Verbrennung eine höhere spezifische Leistung erzielt wird. Der maximale Wirkungsgrad wird jedoch bei fast identischem Maschinenmassenstrom erzielt (vgl. Abb. 2). Das Verdichterdruckverhältnis reduziert sich entsprechend der zusätzlichen Druckerhöhung in der Brennkammer.

Abb. 2: Ergebnis der Optimierung von Maschinenmassenstrom und Verdichterdruckverhältnis hinsichtlich Gesamtwirkungsgrad
Lupe [6]

Hybride Modellierung

Der zweite Schritt der Untersuchungen beruht auf hybriden Prozessmodellen, welche die Verbrennungsvorgänge sehr detailliert und zeitaufgelöst abbilden und die übrigen Komponenten durch 0D-Modelle repräsentieren. Zur Berechnung der zwei Verbrennungsprozesse (Pulsed Detonation Combustion (PDC) und Shockless Explosion Combustion (SEC)) wurde eine angepasste Version des in der 1. Phase des SFB von Teilprojekt A03 entwickelten 1D-Lösers der Euler-Gleichungen verwendet. Dieser liefert über einen gesamten Zyklus der Verbrennungsprozesse (Füllung, Zündung, Ausblasen und Spülung) die thermodynamischen Zustände am Austritt der Brennkammer als Funktion der Zeit. Für jeden Zeitschritt wird das austretende Masseninkrement bestimmt und separat in der Turbine entspannt (siehe Abb. 3). Der isentrope Wirkungsgrad der Turbine wurde für jedes Masseninkrement auf Basis seiner Zustandsgröße (Druck) aus einem generischen Turbinenkennfeld berechnet, um die geleistete Arbeit zu bestimmen. Die gesamte Turbinenleistung wurde durch Integration der inkrementellen Arbeiten berechnet. Somit konnte der Einfluss von gasdynamischen Phänomenen in den Brennkammern untersucht und erste Auslegungsregeln für die Turbine abgeleitet werden.

Abb. 3: Konzept der hybriden Modelle und thermischer Wirkungsgrad des einfachen Gasturbinenprozesses mit SEC als Funktion des Druckverhältnisses und unter Berücksichtigung der totalen (ts) bzw. der statischen (ss) Werte am Einlass der Turbine
Lupe [7]

Die 1D-Simulation erlaubt außerdem eine detaillierte Analyse der Entropieerzeugung in den einzelnen Sub-Prozessen der Verbrennung, sowie den dadurch entstehenden Druck- und Saugwellen innerhalb der Brennkammer. Mit der Finalisierung der 1D-Simulation der Gesamtmaschine wird diese Untersuchung auf die Plena und Turbo-Komponenten ausgedehnt werden können.

1D-Modellierung

Aufbauend auf der hybriden Modellierung werden nun auch die Turbokomponenten mihilfe des 1D-Euler Lösers simuliert. Die Abbildung der Turbomaschinen wurde durch die Implementierung von Quelltermen in den bestehenden Code realisiert und wird die transiente Simulation der Gesamtmaschine ermöglichen, sobald die Kopplung mit der Brennkammer abgeschlossen ist. Damit das Potential der druckerhöhenden Verbrennung im Gesamtsystem Gasturbine korrekt abgeschätzt werden kann, müssen auch die mit der Druckerhöhung verbundenen Verluste und erforderlichen Mehraufwände berücksichtigt werden. Dazu gehören Verluste in den Turbomaschinen durch die instationären Randbedingungen, aber auch die benötigte zusätzliche Verdichterleistung im Sekundärluftsystem, um eine Versorgung mit Kühlluft sicherzustellen. Die Verluste der Turbomaschinengitter werden zunächst über generische Charakteristiken abgebildet. Damit kann der Wirkungsgrad der instationär-durchströmten Turbokomponenten bestimmt werden. Darüber hinaus wird auch das Sekundärluftsystem über Quellterme modelliert und die benötigte Kompressorleistung bestimmt. Beides reduziert den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine, ist jedoch für eine aussagekräftige Potentialabschätzung zwingend zu berücksichtigen. Schlussendlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse für die Konzeptentwicklung eines Demonstrators eingesetzt.

Eine Vordimensionierung des Plenums zwischen Verdichter und PDC, sowie eine Untersuchung der Verdichterstabilität für verschiedene PDC-Parameter, erfolgt durch eine Kopplung des 1D-Turbomaschinen-Codes mit einem 0D-Plenumsmodell (siehe Abb. 4). Die Ergebnisse werden auf der ASME GT 2020 veröffentlicht.

Abb. 4: Konzept des 1D-Verdichtermodells mit transienter PDC Randbedingung zur Vordimensionierung des Plenums und Untersuchung der Verdichterstabilität
Lupe [8]

Demonstrator

Die Entwicklung eines Demonstrators, der eine Zusammenführung aller SFB-Technologien ermöglicht, soll sowohl ihren unterschiedlichen Reifegrad als auch die gegebene universitäre Infrastruktur berücksichtigen. Basierend auf den dargestellten Simulationen und in Zusammenarbeit des SFB wurde ein Konzept entwickelt, das folgende Ziele verfolgt:

- Demonstration eines Druckgewinns über die Verbrennung
- Demonstration der dämpfenden Wirkung des Turbinen- und Verdichterplenums
- Demonstration einer Strategie für die Befüllung von mehreren Brennerrohren
- Demonstration des Betriebs aller zuvor genannten Komponenten in einem Versuchsaufbau

Das Konzept für den Demonstrator ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abb. 5: Konzept des Demonstrators
Lupe [9]

Publikationen

Gray, J., J. Vinkeloe, J. Moeck, C. O. Paschereit, P. Stathopoulos, P. Berndt und R. Klein: Thermodynamic Evaluation of Pulse Detonation Combustion for Gas Turbine Power Cycles. In: In Proc. Turbo Expo 2016. ASME, jun 2016.

Neumann, N. und D. Peitsch: Introduction and Validation of a Mean Line Solver for Present and Future Turbomachines. In: Proceedings of ISABE Canberra 2019, Canberra, Australia, 22-26 September. ISABE-2019-24441, 2019.

Neumann, N. und D. Peitsch: Potentials for Pressure Gain Combustion in Advanced Gas Turbine Cycles. Applied Sciences, 9(16), 2019, ISSN 2076-3417.

Neumann, N., D. Woelki und D. Peitsch: A Comparison of Steady-state Models for Pressure Gain Combustion in Gas Turbine Performance Simulation. In: Proceedings of GPPS Beijing 2019, Beijjing, China, 16-18 September, Nr. GPPS-BJ-2019-0198. Global Power and Propulsion Society, 2019.

Rähse, T., C. Paschereit, P. Stathopoulos, P. Berndt und R. Klein: Gas dynamic simulation of shockless explosion combustion for gas turbine power cycles. In: Proceedings of the ASME Turbo Expo, Bd. 3, 2017.

Rähse, T. S., P. Stathopoulos, J. S. Schäpel, F. Arnold und R. King: On the influence of fuel stratification and its control on the efficiency of the shockless explosion combustion cycle. In: Proceedings of ASME Turbo Expo, Oslo, Norway, 2018. ASME International.

Rähse, T. S., P. Stathopoulos, F. Arnold, J. Schäpel, R. King: On the influence of fuel stratification and its control on the efficiency of the shockless explosion combustion cycle. J. Eng. Gas Turbines Power 141,1 (2018).

Stathopoulos, P.: Comprehensive Thermodynamic Analysis of the Humphrey Cycle for Gas Turbines with Pressure Gain Combustion. Energies, 11(12), 2018.

Stathopoulos, P., T. Rähse, J. Vinkeloe und N. Djordjevic: First law thermodynamic analysis of the recuperated Humphrey cycle for gas turbines with pressure gain combustion. Energy, 2019.

Stathopoulos, P., T. Rähse, J. Vinkeloe und N. Djordjevic: Steam injected Humphrey cycle for gas turbines with pressure gain combustion. Energy, 2019.

Neumann, N., T. Rähse, P. Stathopoulos und D. Peitsch: Holistic Performance Evaluation of Gas Turbines featuring Pressure Gain Combustion. In: Proceedings of DLRK 2019, Darmstadt, Germany, Deutsche Gesellschaft für Luft- Raumfahrt, 2019.

Neumann, N., D. Peitsch, A. Berthold, F. Haucke und P. Stathopoulos: Pulsed Impingement Turbine Cooling and its Effect on the Efficiency of Gas Turbines with Pressure Gain Combustion. In: Proceedings of the ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, London, England, 22–26 June 2020 (submitted)

Dittmar, L. und P. Stathopoulos: Numerical Stability and Operational Analysis of an Axial Compressor Connected to an Array of Pulsed Detonation Tubes. In: Proceedings of the ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, London, England, 22–26 June 2020 (submitted)

Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch
E-Mail-Anfrage [10]

Sekretariat

Steffi Stehr
Sekr. F 2
Raum 107
Marchstr. 12
10587 Berlin
Tel: 314 23110
E-Mail-Anfrage [11]
------ Links: ------

Zusatzinformationen / Extras

Direktzugang

Schnellnavigation zur Seite über Nummerneingabe

Copyright TU Berlin 2008