Large Scale Turbine Rig (LSTR)

Beim LSTR handelt es sich um einen rotierenden, 1,5-stufigen Niedermachzahl-Axialturbinenprüfstand. Der Prüfstand wird im geschlossenen Kreislauf betrieben, wobei Eintrittsdruck und -temperatur des Hauptstroms unabhängig von Umgebungsbedingungen geregelt werden können. Die skalierte Schaufelgeometrie ist einer modernen Hochdruckturbine nachempfunden. Ein modulares Rotordesign mit austauschbarer Schaufelspitze ermöglicht die detaillierte Untersuchung der Schaufelspitzenaerodynamik.

Um am Turbineneintritt für ein Flugtriebwerk realistische Strömungsbedingungen einstellen zu können, ist stromauf der Turbinenstufe ein variables Brennkammermodul vorhanden. Hiermit wird die Interaktion von Brennkammer und Turbine untersucht. Durch den Einbau von Drallerzeugern kann die Aerodynamik einer modernen Magerbrennkammer am Turbineneintritt eingestellt werden. Weiterhin sind eine axiale Zuströmung sowie eine Variation des Turbulenzgrades möglich, um die Strömungsbedingungen stromab zukünftiger Brennkammern mit Wasserstoffverbrennung abzubilden.

Neben der Turbinenaerodynamik steht die Untersuchung der Turbinenkühlung im Fokus. Hierzu wird ein umfassendes Sekundärluftsystem verwendet, wobei bis zu acht Kühlluftströme unabhängig voneinander geregelt werden können. Zudem kann deren Temperatur unabhängig vom Hauptstrom eingestellt werden und die Kühlluft mit Spurengas versetzt werden, was die Messung von Kühleffektivitäten und Mischungsvorgängen zulässt.

Die Messstrecke ist mit zahlreichen physischen und optischen Zugangsmöglichkeiten versehen. Diese ermöglichen die Anwendung unterschiedlichster aerodynamischer und thermischer Messtechnik. Über die Einhaltung der Reynold’schen Ähnlichkeit lassen sich die experimentellen Ergebnisse auf eine reale Gasturbine übertragen. Die hohe räumliche Auflösung und Qualität der experimentellen Ergebnisse eignen sich ideal zur Validierung numerischer Simulationen.

Leistung Primärgebläse (max.): 931 kW
Leistung Sekundärgebläse (max.): 400 kW
Massenstrom (max): 20 kg/s
Druckverhältnis: ca. 1,2
Drehzahl Turbine: bis 1500 U/min
Nabendurchmesser: 868 mm
  • Druck- und Temperatur-Kammsonden
  • 5-Loch-Sonden
  • Statische Druckbohrungen auf Schaufelprofil und -endwand
  • Drehmomentmessung
  • Massenstrommessung
  • Telemetrie zur Bestimmung von Druckwerten im rotierenden System
  • Particle Image Velocimetry (PIV)
  • CO2 Tracergasmesstechnik
  • Infrarot-Thermographie
  • Instationäre Druckmessung
  • Hitzdrahtanemometrie
  • Spaltweitenmessung
  • Pressure Sensitive Paint (PSP)

DFG FVV Flexible HP-Turbines

Im Forschungsvorhaben wird der Einfluss der gehäuseseitigen Kühllufteinblasung (engl. Rear Outer Discharge Nozzle RODN) stromauf der ersten Hochdruckturbinenstatorreihe auf die Turbinenaerodynamik im Gehäusebereich untersucht. Die RODN Einblasung kann zur Abschwächung von Sekundärströmungen im Stator führen und trägt neben der Endwandkühlung im Stator zur Kühlung der Rotorspitze bei. Da die numerische Modellierung der komplexen Interaktion von Haupt- und Kühlluftmassenströmen bei der Passage des Stators nach wie vor Abweichungen im Vergleich zu experimentellen Ergebnissen aufweist, werden räumlich hochauflösende Messungen im Prüfstand durchgeführt, um numerische Methoden zu optimieren und die RODN-Eigenschaften in der Auslegung zukünftiger Triebwerke besser nutzbar zu machen.

Für die Messungen wird das Statormodul des Prüfstands um eine gehäuseseitige Kühllufteinblasung erweitert. Der Fokus der experimentellen Untersuchungen liegt auf dem äußeren Kanalbereich. Ziel ist ein besseres Verständnis der wandnahen Aerodynamik mit dem Ziel der Optimierung numerischer Methoden. Zudem dienen die Ergebnisse als Basis für die Optimierung der benötigten Kühlluftmenge im äußeren Endwandbereich sowie zum Ableiten optimierter Designstrategien. Ein weiterer Nutzen der Daten ist die Identifikation von numerischen Ungenauigkeiten bei der Interaktion von Haupt- und Kühlluftmassenströmen.

Industriepartner in diesem Vorhaben ist Rolls-Royce Deutschland. Das Projekt wird finanziert durch die DFG und FVV.

LuFo VI-3 TeTeAnt-H2 – Turbinenkonzeptentwicklung: Turbulenzmigration durch die Hochdruckturbine

Das Forschungsvorhaben befasst sich mit den Auswirkungen von variabler Brennkammerturbulenz aufgrund neuartiger H2/SAF Verbrennungskonzepte auf die Aerodynamik der Hochdruckturbine.

Der Übergang zu alternativen, emissionsarmen Flugzeugtriebwerke unter Nutzung von Wasserstoff macht die Entwicklung sogenannter Dual-Fuel-Brennkammern notwendig, welche sowohl gasförmige (H2) als auch flüssige (SAF) Brennstoffe nutzen können. Durch die Verbrennung von Wasserstoff und den Einsatz einer Dual-Fuel-Brennkammer muss mit starken Turbulenzen am Eintritt der Turbine gerechnet werden. Da turbulente Interaktionsmechanismen nach wie vor Quelle für erhebliche Unsicherheiten in der Strömungsmodellierung sind, soll der Einfluss der Turbulenzintensität auf die Turbinenaerodynamik experimentell hochaufgelöst untersucht werden. Dies ist für die kombinierte Entwicklung von Brennkammer und Turbine und eine präzise numerische Auslegung wesentlich.

Für die Messungen wird ein modularer Brennkammersimulator in das Brennkammermodul des Prüfstands integriert. Die Vermessung der Auswirkungen systematisch variierter Eintrittsturbulenzgrade auf die Effizienz und Aerodynamik einzelner Komponenten und die Gesamtturbine dient neben dem Detailverständnis von Strömungsphänomenen als Datenbank für die Entwicklung und Optimierung numerischer Methoden unter dem Einfluss von Brennkammerturbulenz.

Industriepartner in diesem Vorhaben ist Rolls-Royce Deutschland. Das Projekt wird finanziert im Rahmen des Forschungsvorhabens LuFo VI-3 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE, ehemals BMWK).

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AG TURBO ECOFlex-turbo KüpLe – Aero-/Thermaluntersuchung von Schaufelspitzenkonfigurationen

Vor dem Hintergrund einer Zunahme zyklischer Lastwechsel im Rahmen der Energiewende steht das Forschungsvorhaben im Zusammenhang mit dem Ziel, zukünftige Gasturbinen und Flugtriebwerke deutlich flexibler als bisher einsetzen zu können. Diese Flexibilität bedeutet für Betreiber von Gasturbinen und Flugtriebwerken, dass diese häufiger mit variierenden Betriebsbedingungen verwendet werden und die Robustheit des Wirkungsgrades somit von steigender Bedeutung ist. Da die komplexe Strömung des zweiten Stators sehr sensitiv auf Änderungen der Eintrittsrandbedingungen reagiert, kommen verschiedene Rotorspitzen zum Einsatz. Zudem wird die Spaltweite variiert.

Aus experimentellen und ergänzenden numerischen Untersuchungen sollen Aussagen über Verlustmechanismen und Luftmassenstromverteilungen am zweiten Stator abgeleitet sowie die Sensitivität dieser gegenüber den Änderungen von Eintrittsrandbedingungen analysiert werden.

Industriepartner in diesem Vorhaben sind Rolls-Royce Deutschland sowie Siemens Energy. Das Projekt wird unter Beteiligung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Forschungsverbund der AG Turbo finanziert.

AG TURBO COOREFlex-Turbo 3.1.2 – Aerothermische Brennkammer-Turbine-Interaktion: Rotornabe

Ziel des Vorhabens ist die experimentelle Untersuchung des Wärmeeintrags im Nabenbereich von Hochdruckrotorpassagen. Die strömungsmechanischen und thermodynamischen Phänomene in diesem Bereich einer Gasturbine sind äußerst komplex. Die mechanischen und thermischen Anforderungen an die dortigen Bauteile sind von entscheidender Bedeutung für den sicheren und dauerhaften Betrieb von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken. Um die Anforderungen bezüglich der genannten Belastungen der ersten Hochdruckturbinenstufe zu erfüllen, kommen aufwändige Kühl- und Schutzmechanismen zum Einsatz. Hierzu gehört auch das Verhindern von Heißgaseintritt in Kavitäten, welche sich funktionsbedingt nabenseitig zwischen den Stator- und Rotorplattformen befinden. Zum Absperren dieser Kavitäten wird dem Verdichter zuvor entnommene Luft verwendet, welche durch das Sekundärluftsystem der Gasturbine in die Kavität eingeleitet und daraufhin diese durch einen Spalt in Richtung der nabenseitigen Endwand der Passage verlässt. Die Vermischung von Sperrluft und Hauptstrom führt zu Verlusten und verändert das Strömungs- und Temperaturprofil im Nabenbereich der Turbinenpassage, was zu einer Veränderung der verlustbehafteten Sekundärströmungen führt. Beide Phänomene beeinflussen den Turbinenwirkungsgrad negativ.

Industriepartner in diesem Vorhaben ist GE Power. Das Projekt wird unter Beteiligung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Forschungsverbund der AG Turbo finanziert.

AG TURBO COOREFlex-Turbo 3.1.1 – Brennkammer-Turbine-Interaktion: Kühleffektivität und Aerodynamik im Blattspitzenbereich

Das Vorhaben befasst sich mit der Untersuchung der Turbinensektion hinsichtlich der Auswirkungen des Einsatzes moderner Brennkammerkonzepte auf den Aerodynamik und Kühleffektivität im Bereich der Rotorspitze der ersten Laufschaufelreihe. Dadurch soll die Schnittstelle zwischen Brennkammer und Turbine optimiert werden. Ziel ist es insbesondere, durch effizienteren Kühllufteinsatz den Gesamtwirkungsgrad und die Standzeit der Turbinenkomponenten zu erhöhen sowie höhere Turbineneintrittstemperaturen zu erreichen.

Industriepartner in diesem Vorhaben sind Rolls-Royce Deutschland sowie Ansaldo Energia. Das Projekt wird unter Beteiligung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Forschungsverbund der AG Turbo finanziert.

AG TURBO 2020 3.2.5 – Aerothermische Brennkammer-Turbine-Interaktion

Inhalt dieses Forschungsvorhabens ist die Untersuchung von Wärmeübergang und Filmkühleffektivität auf der nabenseitigen Endwand der ersten Statorschaufelreihe (NGV). Dabei soll auf den Einfluss der drallbehafteten Brennkammerströmung sowie unterschiedlicher Kühllufteinblasung (Rear Inner Discharge Nozzle, RIDN) an Hand einer skalierten Hochdruckturbinenbeschaufelung untersucht werden. Weiterhin soll die Filmkühleffektivität auf der Oberfläche der Statorschaufeln untersucht werden. Für dieses Forschungsvorhaben wird neben dem Einsatz thermischer Messtechnik ein neues Turbinengehäuse konstruiert, dass umfassende physikalische und optische Zugangsmöglichkeiten zum Messstrecke bietet.

Ziel der Projekte ist es, durch ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Magerbrennkammern für die Auslegung zukünftiger Hochdruckturbinen Entwurfsrichtlinien zu ermitteln und somit die Effizienz des Gesamttriebwerks zu steigern.

Industriepartner in diesem Vorhaben sind Rolls-Royce Deutschland sowie Ansaldo Energia. Das Projekt wird unter Beteiligung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Forschungsverbund der AG Turbo finanziert.

AG TURBO 2020 3.2.1A – Aerodynamische Brennkammer-Turbine-Interaktion

Im Rahmen des Vorhabens AG Turbo 2020 3.2.1A wird die Aerodynamik der Hochdruckturbine unter Einwirkung der stark drallbehafteten Strömung am Austritt einer modernen Magerbrennkammer untersucht. Hierbei stehen insbesondere die Effekte der Drallströmung auf den Verlauf der RIDN-Kühlluft (Rear Inner Discharge Nozzle), sowie auf die Profil- und Passagenaerodynamik der ersten Statorschaufelreihe (Nozzle Guide Vane – NGV) im Fokus der Untersuchungen.

Für die Messungen wird der Prüfstand um ein Brennkammermodul erweitert, welches ein typisches Strömungsprofil am Turbineneintritt generiert. Dieses Brennkammermodul bietet neben der einfachen Variation der Drallkonfiguration auch optische und physikalische Zugänglichkeiten, sowie Schnittstellen für vielfältige Messtechnik. Zusätzlich wird ein Modul zur Realisierung der nabenseitigen Kühllufteinblasung implementiert, welches ebenfalls eine Variation der Parameter (Geometrie, Massenstrom, etc.) ermöglicht.

Industriepartner in diesem Vorhaben ist Rolls-Royce Deutschland. Das Projekt wird unter Beteiligung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Forschungsverbund der AG Turbo finanziert.