Grundlegende Untersuchungen zum Verhalten der Schaufelumströmung eines axialen Turboverdichters bei Wassereindüsung

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Franz Joos; Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2007 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 34509739

Bei stationären Gasturbinen dient die Eindüsung von Wassersprays in den Verdichtereinlauf der Leistungserhöhung, die neben dem Abdecken von Spitzenlasten gerade bei vermehrtem Einsatz von Wind- und Solarenergie zum schnellen Ausregeln von Leistungsschwankungen eingesetzt werden kann. Durch die Wassereinspritzung und der daraus folgenden Verdunstungskühlung vor und innerhalb des Verdichters wird die Verdichtungsarbeit reduziert und der Massenstrom erhöht. Je nach Betriebsbedingungen und Feinheit des Sprays gelangt ein Anteil der Wassertropfen in die Verdichterbeschaufelung und verdunstet erst während der Verdichtung unter Wechselwirkung mit der Beschaufelung.Schlagen die Wassertröpfchen auf die Beschaufelung auf, so ist aufgrund des Wandfilms auf dem Profil und der nachfolgenden Zerstäubung der ablaufenden Wandfilme an der Hinterkante mit einer Erhöhung der Profilverluste und mit Schaufelerosion zu rechnen. Andererseits beeinflusst die geänderte Dichte der Zweiphasenströmung den Abströmwinkel der Beschaufelung und damit direkt den Wirkungsgrad der Komponente. Zur optimalen Auslegung des Verdichters unter trockenen und nassen Bedingungen ist die Kenntnis der lokalen Auswirkungen der Zweiphasenströmung erforderlich.Das vorliegende Projekt dient der grundlegenden Untersuchung der auftretenden physikalischen Phänomene und deren numerischer Modellbildung. Insbesondere werden unter relevanten Mach-Zahlen im Bereich von 0,5 bis 1,1 die Zerstäubung von Flüssigkeiten an luftumströmten Kanten sowie in stark beschleunigten Strömungen, die Trajektorien des Sprays, sowie die Tropfen- Wand-Interaktion experimentell und numerisch untersucht. Als Ergebnis sollen Korrelationen erarbeitet werden, die in numerischen Codes implementiert werden. Hiermit kann das Verhalten von Wassertropfen unterschiedlichen Durchmessers in Verdichterströmungen berechnet werden. Der gewonnene Code wird an Messungen des Benetzungsverhaltens und der Zerstäubung an einer ebenen Verdichterkaskade validiert. Zusätzlich werden die gemessenen Abströmbedingungen mit den numerischen Vorhersagen verglichen.Die anspruchsvollen Ziele der detaillierten numerischen und experimentellen Erfassung der Zweiphasenströmung im komplexen Strömungsfeld eines Axialverdichters werden somit weiter verfolgt und die Arbeiten der ersten Förderperiode fortgesetzt.

• DFG Programme: Research Grants