TM_FrequenzOpt - Einsatz frequenzbereichsbasierter Strömungslöser zur Optimierung von Turbomaschinenkomponenten am Beispiel einer Turbinenstufe mit Endwandkonturierung unter Sperrlufteinfluss
Zeitraum
2022-04-01 – 2024-09-30
Bewilligte Summe
199.809,78 EUR
Ausführende Stelle
Förderkennzeichen
03EE5102
Leistungsplansystematik
Konventionelle Kraftwerkstechnik - Komponentenentwicklung [EA1312]
Zuwendungsgeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK.IIB5)
Projektträger
Forschungszentrum Jülich GmbH (PT-J.ESE5)
Förderprogramm
Energie
Im Rahmen des Projektes soll der industrielle Einsatz frequenzbereichsbasierter Simulationsverfahren zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme ermöglicht werden. Die stetig steigenden Effizienz- und Stabilitätsanforderungen an Turbomaschinen können aufgrund des bereits erreichten hohen Technologieniveaus zukünftig nur unter Berücksichtigung instationärer Effekte in der Auslegung erfüllt werden. Eine Möglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung bei Axialturbinen ist die Konturierung der Schaufelplattformen. Diese reliefartigen Oberflächenstrukturen werden seit einigen Jahren industriell eingesetzt und beeinflussen die wandnahe Strömung in der Turbine, die je nach Anwendungsfall ein Großteil der aerodynamischen Verluste ausmacht. Ausgelegt werden diese Konturierungen aber bisher meist auf Basis stationärer Strömungssimulationen. Aufgrund der inhärenten Instationarität der Turboschinenströmung folgt allerdings, dass die numerisch ermittelte Wirkungsgradsteigerung der Endwandkonturierung bei zeitlich aufgelösten Validierungsrechnungen deutlich geringer ausfällt. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes können derartige Optimierungsprobleme jedoch nicht auf Basis zeitbereichsbasierter Verfahren gelöst werden. Eine vielversprechende Alternative zu den Zeitbereichsverfahren sind die effizienten Algorithmen frequenzbereichsbasierter Verfahren, die die zeitliche Periodizität der dominierenden Instationaritäten in der Turbomaschinenströmung ausnutzen. Im beantragten Projekt soll für das Laufrad einer 1,5-stufigen Kaltluftturbine eine neue, mit frequenzbereichsbasierten Strömungslösern optimierte Seitenwandkontur unter Sperrlufteinblasung ausgelegt und der numerisch vorhergesagte Wirkungsgradgewinn experimentell bestätigt werden. Die Validierung des Optimierungsergebnisses anhand von instationären Messdaten gibt den Industrieunternehmen das nötige Vertrauen, diese neuartigen Simulationsmethoden im eigenen Auslegungsprozess zu integrieren.