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TU Berlin

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Dissertationen

Modulierte Sekundärluftsysteme für den verbesserten Off-Design Betrieb von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken
Zitatschlüssel woelki_diss_2022
Autor Vincent Dominik Woelki
Jahr 2022
DOI 10.14279/depositonce-16063
Ort Berlin
Monat September
Herausgeber DepositOnce - Institutional Repository for Research Data and Publications of TU Berlin
Wie herausgegeben Creative Commons Attribution 4.0 International CC BY 4.0
Schule Technische Universität Berlin
Zusammenfassung Diese Arbeit widmet sich der Frage, wie eine Flexibilisierung von Sekundärluft die Wirtschaftlichkeit von Gasturbinen steigern kann. Hierbei steht insbesondere der potenzielle Zielkonflikt eines niedrigen Brennstoffverbrauchs ohne Einbuße von Lebensdauer thermisch hochbelasteter Bauteile im Vordergrund. Das Sekundärluftsystem (SAS) leistet in allen vertraglich zugesicherten Betriebspunkten einen entscheidenden Beitrag zum sicheren Betrieb der Maschine und zu ausreichenden Lebensdauern heißgasbeaufschlagter Bauteile. Das SAS ist dabei üblicherweise als weitestgehend starres System ausgelegt, in dem der Einsatz strömungsmodulierender Elemente wie z.B. Ventile auf wenige Abzapfpositionen beschränkt ist. Insbesondere die in der Turbine eingesetzte Kühl- und Dichtluft, die den mit Abstand größten Anteil der Sekundärluft einnimmt, ist typischerweise ungeregelt. Sowohl die Variabilität der geförderten Massenströme als auch die spezifischen Anforderungen in den Verbrauchern von Sekundärluft führen in vielen Betriebspunkten zu einer Übererfüllung der tatsächlichen Anforderungen. Dies ist mit potenziell vermeidbaren Verlusten im thermischen Wirkungsgrad verbunden. Die Hinwendung zu einem Design, das die Flexibilität der Sekundärluftführung steigert, erscheint daher vielversprechend. Die große Herausforderung für die dynamische Anpassung der Sekundärluftströme an den tatsächlichen Bedarf liegt in den komplexen Wechselwirkungen zwischen dem SAS, seinen Verbrauchern und dem thermodynamischen Kreisprozess in seiner Gesamtheit. Zu diesem Zweck wird eine Methodik vorgestellt, die allgemeine Konzeptstudien am SAS auf Ebene des Gesamtsystems Gasturbine ermöglicht. Die Methodik verknüpft insbesondere numerische Modelle zur Analyse von thermodynamischem Kreisprozess, SAS-Netzwerken, Schaufellebensdauern und Abdichtung gegen Heißgaseinzug. Innerhalb dieser Arbeit wird die Methodik zur Durchführung von Konzeptstudien in thermisch stabilisierten, stationären Betriebspunkten verwendet. Dies erfolgt für zwei unterschiedliche Gasturbinen: Erstens, eine stationäre Gasturbine für den Einsatz in sowohl einfachen (open cycle) als auch Kombikraftwerken (combined cycle); zweitens, ein Turbofan für zivile Mittel- und Langstreckenapplikationen. Die Grundlage für die Konzeptstudien bildet der Grad, mit dem die Schaufeltemperaturen bei niedrigen Lastanforderungen sinken und somit nutzbare Margen bilden. Dies erst erlaubt die Reduktion von Kühlluft zum Vorteil eines verminderten Brennstoffverbrauchs. Zwei begleitende Effekte begrenzen dieses Potenzial: die Verringerung der Schaufellebensdauer, insbesondere in Bezug auf Kriechen, und das erhöhte Risiko von Heißgaseinzug in den Scheibenraum. Basierend auf den hierzu ermittelten Trends werden verschiedene Strategien vorgestellt, um für verschiedene Lastkurven und Flugmissionen Muster zur Modulation von Sekundärluft zu entwickeln. Als wesentliche Zielfunktionen fungieren dabei der Brennstoffverbrauch und die Kriechlebensdauer der Turbinenlaufschaufel. Die Prävention von Heißgaseinzug und Vermeidung der Exposition zu Hochtemperaturkorrosion werden in bestimmten Betriebspunkten als zusätzliche Randbedingungen gesetzt. Die Ergebnisse enthalten verschiedene Muster, mit denen Gasturbinen in open cycle Anwendungen bei reduzierter Sekundärluft betrieben werden können. Dabei liegen die Vorteile bei einer Reduktion des Brennstoffverbrauchs im Bereich von 0,3 %...0,7 % Prozentpunkten bei einer tolerierbaren Verringerung der Kriechlebensdauer um ca. 5 %. Die Werte sind dabei stark von der Lastkurve abhängig. Dabei steigt das Gesamtpotenzial stark an, je mehr der Betrieb durch niedrige Leistungsabgabe an den Generator dominiert ist. Für Gasturbinen in Kombikraftwerken ist insbesondere wegen der Regelung der Gasturbine auf relativ hohe Abgastemperaturen das Gesamtpotenzial vergleichsweise gering. Nichtsdestotrotz kann die vorgeschlagene Technologie hier die gegenwärtig verfolgten Ertüchtigungen zum Betrieb in tiefer Teillast unterstützen. In einem weiterführenden Schritt berücksichtigen die Untersuchungen zum Flugtriebwerk auch eine partielle Erhöhung von Kühlluft, um den Einbußen in der Kriechlebensdauer bei reduzierter Kühlluft zu begegnen. Die final vorgestellten Muster zur Sekundärluftmodulation sehen dabei eine betriebspunktabhängige Flexibilisierung des Hauptversorgungsstroms des Hochdruckturbinenrotors vor, der über Vordralldüsen bereitgestellt wird. Dabei kann mit Ausnahme von Kurzstreckenapplikationen die Reduktion der Sekundärluft im Reiseflug gewinnbringend mit der Erhöhung von Kühlluft beim Start und Steigflug kombiniert werden. Dies führt zu zahlreichen Konfigurationen, mit denen der auf die Flugmission bezogene Brennstoffverbrauch gesenkt werden kann bei gleichzeitiger Erhöhung der Schaufelkriechlebensdauer. Die weitere Eingrenzung der Optionen durch die Ermittlung der Pareto-Front und Filterung über die Nebenbedingungen führen zu einem einfach adaptierbaren Verfahren, um die gesamtheitlich besten Konfigurationen zu identifizieren. Als Endergebnis wird ein dynamisches, missionsabhängiges Muster zur Sekundärluftmodulation vorgestellt, das beispielsweise für eine Langstreckenmission ca. -0,25 % Brennstoffverbrauch bei vollständigem Erhalt der Kriechlebensdauer eines unmodulierten SAS bewirkt.
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