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HeißgaseinzugHeißgaseinzug in Radseitenräume von axialen Gasturbinen

Bild des Heißgaseinzugs im Radseitenraum von Gasturbinen Urheberrecht: © Bhavnani

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Motivation

Für die Effizienz stationärer Gasturbinen sowie von Fluggasturbinen sind die Mengen der benötigten Kühl- und Sperrluft wichtige Parameter. Diese sogenannten Sekundärluftströme schützen die der heißen Hauptströmung direkt ausgesetzten Bauteile. Darüber hinaus verhindern sie das Eintreten von Heißgas in den Bereich der mechanisch hoch belasteten Rotorscheiben. In der Abbildung sind typische Sperrluftströmungen in einer Gasturbinenstufe dargestellt. Die konstruktiv bedingte Kavität zwischen Rotorscheibe und feststehenden Bauteilen wird Radseitenraum genannt.

Kühl- und Sperrluft tragen nur teilweise zur Leistungsumsetzung in der Turbine bei. Eine Reduzierung führt zu einer deutlichen Effizienzsteigerung. Um eine Verringerung des Sperrluftmassenstroms unter Wahrung struktureller Integrität durchführen zu können, ist ein Verständnis der den Heißgaseinzug beeinflussenden Mechanismen notwendig.

 

Methoden

Am IKDG wird der Heißgaseinzug numerisch mithilfe von CFD und experimentell untersucht, um das angesprochene Verständnis zu vertiefen. Die Untersuchungen werden an einer 1,5-stufigen Versuchsturbine durchgeführt. Neben Messebenen zur Bilanzierung der Stufen ist insbesondere der Radseitenraum deutlich instrumentiert.

Druckbohrungen an der Nabe nach dem ersten Leitschaufelring lassen Aussagen über das Hauptströmungsfeld, insbesondere über die Umfangsverteilung des Drucks, der durch die Nachlaufdelle des Schaufelrings stromaufwärts beeinflusst wird. Messstellen im Radseitenraum dienen der Detektion des Strömungsfeldes im Radseitenraum. Dabei kann entweder der Druck aufgenommen werden oder eine CO2-Konzentration. In Verbindung mit einer Beaufschlagung der Sperrluft mit definierter CO2-Konzentration kann ein Heißgaskonzentrationsfeld vermessen werden. Somit können Aussagen über das betriebspunktabhängige Eindringen des Heißgases getroffen werden.

Numerische Simulationen dienen nach Validierung an Messdaten, der Vorhersage des dreidimensionalen Strömungs- und Heißgaskonzentrationsfeldes. Außerdem kann der Einfluss kleiner geometrischer Variationen einfacher untersucht werden. Zu diesen kleinen geometrischen Variationen kann z.B. eine geringfügige Variation des axialen Spaltes zählen.

 

Förderung

Der Aufbau der Versuchsturbine endet planmäßig im Oktober 2021.

Das Projekt wird finanziell mit Eigenmitteln der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen unterstützt. Den Obmann des zugehörigen projektbegleitenden Ausschusses stellt die MTU Aero Engines.