Experimentelle Untersuchungen an einer Versuchsturbine mit hoher Kühlluftzumischung

Betreuer: Dr.-Ing. U. Reinmöller

Ziel des Forschungsvorhaben

Die Optimierung des Gasturbinenprozesses und die damit einhergehende Wirkungsgradsteigerung wird u.a. durch eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erreicht. Die Folge sind größere Differenzen zwischen Heißgastemperatur und zulässiger Wandtemperatur, die effektive Kühlmethoden zur Schaufelkühlung erforderlich machen. Eine wirksame Methode besteht darin Kühlluft durch Bohrungen im Schaufelprofil auszublasen. Somit wird die Profiloberfläche vom Heißgas weitestgehend geschützt, jedoch hat das Kühlgas selbst einen erheblichen Einfluß auf die Heißgasströmung in der Turbine. Als abhängige Größen sind insbesondere Wirkungsgrad und Leistungsabgabe zu nennen. Um diese Zusammenhänge eingehender zu betrachten sind experimentelle Daten erforderlich.

Zur Berechnung von Turbinenströmungen mit hoher Kühlluftzumischung soll ein 2D-Through-Flow-Rechenverfahren für mehrstufige Turbinen entwickelt werden. Hierbei soll die radiale Vermischung der Kühlluft mit dem Hauptstrom durch eine Erweiterung des Mischungsmodells von Gallimore und Cumpsty (1985) bzw. Lewis (1993) berücksichtigt werden (Siemens KWU). Für die dazu notwendige Korrelation des Diffusionskoeffizienten infolge Kühlluftzumischung sind experimentell zu ermittelnde Basisdaten erforderlich. Auch die Validierung des 2D-Through-Flow-Verfahrens kann nur anhand solcher Daten erfolgen. In diesem Zusammenhang wurde durch experimentelle Untersuchungen an der 1½-stufigen Versuchsturbine des Instituts für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH Aachen eine entsprechende Datenbasis gewonnen.

Misch- und Regelsystem des Prüfstandes
Misch- und Regelsystem des Prüfstandes

Realisierung

Das mittlere Verhältnis von Turbineneintritts- zu Verdichteraustrittstemperatur (Kühlluft), beträgt TTE/TVA ≈ 2. Im Auslegungspunkt der Versuchsturbine ergibt sich somit ein Wert von -119.08°C (154.07 K) für das einzublasende Kühlgas. Diese Temperatur läßt sich erreichen, wenn flüssiger Stickstoff (Siedetemperatur: -195.8°C bei 1.013 bar) verdampft und dann im gasförmigen Zustand vorliegt. Mit einem aufwendigen Misch- und Regelsystem lassen sich dann konstante Einblasbedingungen einstellen. Das Kühlgas wurde vor dem ersten Leitrad der Turbinenströmung mit einer Einblassonde unter Variation der Einblastemperatur, des radialen Einblasortes, der Einblasrate und des Betriebspunktes der Turbine lokal zugeführt. Dabei wurden jeweils Feldmessungen zur Bestimmung des dreidimensionalen Strömungsvektors, Totaldrucks und der Totaltemperatur in den Ebenen hinter den Beschaufelungen durchgeführt. Insgesamt wurden neunzig unterschiedliche Variationen der Kühlgaseinblasung realisiert.

Zuführung von Kühlgas in die Turbine
Zuführung von Kühlgas in die Turbine

Ausgewählte Ergebnisse

Die Auswirkungen des eingeblasenen Kühlgases auf das Strömungsfeld sind hinter den einzelnen Schaufelreihen mit Hilfe von pneumatischen Drucksonden einschließlich eines Temperatursensors erfaßt worden. Eine wesentliche Abweichung der Strömungswinkel α und γ ist von der Referenzmessung mit eingebauten Einblasrohren in der umfangsgemittelten Darstellung hinter dem ersten Leitrad nicht zu beobachten. Der Druckverlauf hingegen zeigt in Naben- und Gehäusenähe verringerte Werte, die auf eine verstärkte Mischung in diesen Bereichen durch die vorhandene Sekundärströmung hindeuten. Für die Meßergebnisse hinter dem ersten Leitrad werden die variierten Einblaspositionen durch einen Temperatureinbruch in der Temperaturverteilung exakt wiedergegeben. In der untenstehenden Abbildung sind für drei Einblaspositionen, 20% h/H, 50%h/H und 80% h/H, die Totaltemperaturverteilungen hinter dem ersten Leitrad bei einer Einblastemperatur von -130°C und einem Kühlgasmassenstrom von 2.0 g/s dargestellt.

Totaltemperaturverteilung hinter dem ersten Leitrad bei einer Einblastemperatur von -130°C und einem Kühlgasmassenstrom von 2.0 g/s für drei Einblaspositionen, 20% h/H, 50%h/H und 80% h/H.

Totaltemperaturverteilungen hinter dem ersten Leitrad bei einer Einblastemperatur von -130°C und einem Kühlgasmassenstrom von 2.0 g/s für drei Einblaspositionen, 20% h/H, 50%h/H und 80% h/H

Diese Positionen werden auch in der Meßebene hinter dem Rotor bzw. hinter dem zweiten Leitrad, wenn auch hier mit geringerer Intensität, detektiert, so daß der eingeblasene Kühlgasstrahl als stabil bezeichnet werden kann. Eine zunehmende Ausmischung des Kühlgases in Richtung Gehäuse durch den Einfluß des Laufrades wird nicht lokalisiert. Vielmehr ist eine vergrößerte Ausdehnung des Einflußgebietes in radialer Richtung zur Nabe hin, von der ersten Meßebene bis hinter das zweite Leitrad festzustellen. Diese Tendenz ist unabhängig von der Einblastemperatur und vom eingeblasenen Massenstrom.

Publikationen

Reinmöller, U., Walraevens, R.E., Gallus, H.E.
Abschlußbericht über das AG Turbo Vorhaben "Experimentelle Untersuchungen an einer Versuchsturbine mit hoher Kühlluftzumischung"
Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen, 11/98-1

Reinmöller, U., Gallus, H.E.
Tagungsband Statusseminar AG Turbo, "Simulation massiver Kühlluftzumischung" DLR Köln-Porz, 03.-04.12.1998