TU Berlin

Sonderforschungsbereich 1029SFB1029: D01

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

TP-Leiter
Prof. Dr.- Ing. Dieter Peitsch ()
Prof. Dr. Panagiotis Stathopoulos ()

WM: Tim Rähse ()
Tel:   (030) 314 29379

WM: Nicolai Neumann ()
Tel:  (030) 314 29055

Zusammenfassung

Der periodisch und 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

Entwicklung eines Simulations-Tools in Zusammenarbeit mit Teilprojekt A03 für die thermodynamische Prozessberechnung.

Die neue Software baut auf dem von TP A03 im Rahmen der ersten Phase entwickelten Programm auf. Dieses ist in der Lage, die Gasdynamik bei druckerhöhender Verbrennung nachzubilden und wird zur Modellierung der entsprechenden Brennkammer bei den beiden untersuchten Verbrennungsprozessen Pulse Detonation Combustion (PDC) und Shockless Explosion Combustion (SEC) angewendet. 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 wurde. Damit das Potential der durckerhöhenden Verbrennung im Gesamtsystem Gasturbine korrekt abgeschätzt werden kann, müssen auch die mit der Druckerhöhung verbundenen Verluste 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, um dann im Zuge der zweiten Förderphase durch das ebenfalls entwickelte Mittelschnittverfahren direkt berechnet zu werden. Damit kann der Wirkungsgrad der instationär-durchströmenten Turbomaschinen bestimmt werden. Darüber hinaus wird auch das Sekundärluftsystem modelliert und die benötigte Kompressorleistung bestimmt. Beides reduziert den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine, ist jedoch für eine Potentialabschätzung nicht zu vernachlässigen. Schlussendlich werden die gewonnenen Erkenntnisse für die Konzeptentwicklung eines Demonstrators eingesetzt.

Thermodynamische Analyse der Kreisprozesse

Die den Verbrennungstechnologien PDC und SEC entsprechenden thermodynamischen Kreisprozesse wurden unter Verwendung von Simulationsergebnissen der Verbrennung analysiert und bewertet. Dazu wurden sowohl stationäre als auch quasi-stationäre 0D Rechnungen gemacht. Um das Grundlegende Verständnis zu festigen, wurden Parameterstudien bei unterschiedlichen Verdichterdruckverhältnissen und Turbineneintrittstemperaturen durchgeführt. Darüber hinaus wurden auch Kreisprozessoptimierungen durchgeführt, um das Design einer Effizienz-optimalen Gasturbine mit druckerhöhender Verbrennung zu identifizieren.

Instationäre Exergieberechnung

Für die Untersuchung des exergetischen Wirkungsgrades in der Brennkammer wurde eine Analysemethode entwickelt. Diese wurde in einem ersten Schritt auf die Detonation der PDC angewendet und dessen Ergebnisse voraussichtlich im zweiten Halbjahr 2019 veröffentlicht. Weiter wird sowohl die SEC, als auch die Prozesse in den Plena untersucht werden. Veröffentlichungen der Ergebnisse sind hier ebenfalls für 2019 und Anfang 2020 geplant.

Modellierung des Sekundärluftsystems

Zunächst wurde ein vereinfachtes Sekundärluftsystem für die thermodynamischen Untersuchungen genutzt. Dies bestand aus einem Sekundärluftpfad der Verdichteraustritt mit der Turbine verbindet. Das benötigte Druckgefälle wird durch einen zusätzlichen Verdichter hergestellt, der auch von der Hauptwelle angetrieben wird. Die Studien kommen zu dem Ergebnis, das dieser Verdichter bis zu 5% der Wellenleistung verbrauchen könnte.

Für das Jahr 2019 ist eine detaillierte Rechnung eines Sekundärluftnetzwerkmodells geplant.  Hier kann neben der Randbedingung einzuhaltender Turbinentemperaturen auch der Heißgaseinzug abgebildet werden. Insgesamt lässt sich aus dieser Studie erkennen, wie in Sekundärluftsystem verändert werden muss, um in einer Gasturbine mit druckerhöhender Verbrennung eingesetzt zu werden.  

Publikationen

Neumann N., Woelki D., Peitsch D.,  A comparison of steady-state models for pressure gain combustion in gas turbine performance simulation, in GPPS-BJ-2019-0198.

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

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