Klimaschonende Kraftwerkstechnik
Projektthema:
Wechselwirkung zwischen den Strömungen im Eintrittsgehäuse und in der transsonischen Verdichterstufe einer Industriegasturbine.
Gasturbinenkraftwerke arbeiten mit besonders hohem Wirkungsgrad (derzeit bis knapp 60 Prozent), wenn im so genannten GuD-Prozess die Gasturbine mit einer nachgeschalteten Dampfturbine gekoppelt ist und so die Energie des Brenngases bestmöglich ausgenutzt wird. Ziel ist es, bis zum Jahr 2020 einen Wirkungsgrad von 63 Prozent zu erreichen. Dazu muss man die Temperatur des Gases, das die Turbine antreibt, auf mehr als 1500°C erhöhen und die Effektivität, sprich den inneren Wirkungsgrad von Verdichter und Turbine, weiter steigern. In den drei Bauteilen einer solchen Turbomaschine – Verdichter, Brennkammer, Turbine – müssen Werkstoffe und Komponenten auf diese steigenden Anforderungen zugeschnitten werden.
Das Eintrittsgehäuse einer Industriegasturbine führt der Maschine das Arbeitsmedium Luft aus der Umgebung zu. Dabei wird die Luft durch einen senkrechten Ansaugschacht vom Dach des Kraftwerksgehäuses zur Gasturbine herangeführt und muss dann in die axiale Richtung umgelenkt werden, so dass der Kompressor der Gasturbine in Umfangsrichtung möglichst gleichmäßig beaufschlagt wird. Da man eine große Leistungsdichte der Gasturbine anstrebt, wird am Auslass des Eintrittsgehäuses eine Strömung verwirklicht, die eine relativ hohe Unterschallmachzahl besitzt. Das in Strömungsrichtung folgende Vorleitrad wird mit einer kompressiblen Strömung angeströmt, die unter Berücksichtigung der kompressiblen Effekte berechnet werden muss. Stromab hinter dem Vorleitrad folgt die erste Stufe des Kompressors, deren Rotor infolge der hohen axialen Unterschallmachzahl und großen Umfangsgeschwindigkeiten der Schaufelblätter in modernen Industriegasturbinen mit Überschallgeschwindigkeiten angeströmt wird. Im Blattspitzenbereich, in dem die relative Zuströmgeschwindigkeit etwa Machzahlen von 1.2 erreicht, reagiert die Strömung sehr sensibel auf Zuströmwinkeländerungen und auf alle Arten von Ungleichförmigkeiten der Zuströmung, die durch Umlenkung der Strömung von vertikaler in axialer Richtung sowie Abstützungselementen hervorgerufen werden können.
Die Ungleichförmigkeiten, die sich z.B. in einer Variation des Gesamtdrucks, des statischen Drucks und der axialen Machzahl sowohl in Umfangs- als auch in radialer Richtung bemerkbar machen, werden durch die oben genannten Eigenschaften der Einlaufgeometrie erzeugt und haben wegen des sensiblen Verhaltens der transsonischen Strömung des ersten Kompressorrotors einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit des gesamten Kompressors und damit auf die Gasturbine. Das Projekt untersucht, wie die Einlaufgeometrie optimal gestaltet werden kann, damit die transsonische Verdichterstufe für unterschiedliche Betriebspunkte des Kompressors eine geeignete, wenn nicht sogar optimale Zuströmung erfährt.
