Neuer Turbinenprüfstand NG-Turb



Bedingt durch die Turbinenentwicklung der letzten Jahre wird der in der Abteilung vorhandene Turbinenprüfstand (RGG) die Anforderungen der Triebwerksindustrie an zukünftige Forschungsturbinen nicht mehr abdecken. Daher wird ein neuer Turbinenprüfstand errichtet, der einerseits in der Lage ist, die wichtigsten Strömungsparameter von zukünftigen Hochleistungsturbinen zu simulieren (wie z. B. höhere Druckverhältnisse, Erweiterung auf Niederdruckturbinen, zwei Wellen, mehrere Stufen usw.) und andererseits groß genug ist, so dass auch detaillierte Messungen im Strömungsfeld oder an der Modellturbine durchgeführt werden können.

Diese „Next Generation Turbine Test Facility“ (NG-Turb) genannte Anlage wird erstmals Ende 2013 in Betrieb gehen. Die Anlage arbeitet im geschlossenen Kreislauf mit trockener Luft als Strömungsmedium und wird von einem neuen Getriebeverdichter der Fa. MAN Diesel & Turbo SE mit entsprechendem Druckverhältnis und einem sehr weiten Kennfeld für kleine bis sehr hohe Volumenströme angetrieben. Der NG-Turb kann bei variablen Drücken und Temperaturen gefahren werden, wodurch die unabhängige Einstellung der wichtigen Kennzahlen Mach- und Reynoldszahl möglich wird. Mittels entsprechender Zu- und Ableitungen kann auch der Windkanal für Ebene GItter mit diesem Verdichter im geschlossenen Kreislauf betrieben werden.

Integration des NG-Turb in die Versuchshalle
 
 
           Kreislauf
zum Bild Kreislauf

Die Einstellung und Regelung des Drucklevels im Kreislauf erfolgt mit Hilfe einer Vakuumpumpe und der Einspeisung von trockener Druckluft aus der zentralen Druckluftversorgung des DLR-Zentrums. Die Zuströmtemperatur der Messstrecke kann durch Aufspaltung der Verdichterluft in einen heißen und kalten Strang (über einen Wasserkühler) und anschließendem Mischen eingestellt werden. Die Anlage ist außerdem mit einem Trocknersystem und zwei Kühlluftverdichtern ausgerüstet, die über einen Sekundärkreislauf Luft aus der Anlage entnehmen und diese der Turbine über 10 unabhängig einstellbare Stränge für die Kühlluftsimulation zur Verfügung stellen. Wichtig für die Bestimmung von Turbinenwirkungsgraden ist die sehr genaue Ermittlung des Massenflusses durch die Turbine. Dieses wird über geeichte Venturidüsen in den Hauptsträngen des Kreislaufes gewährleistet. Zusätzlich erlaubt der Kreislauf die externe Zuführung von Sekundärluft in die Messstrecke für den Einsatz von Forschungsturbinen mit Brennkammersimulatoren.

Mit dem Versuchsstand der Anlage in der 1. Ausbaustufe können Experimente von einwelligen Hoch- (HDT) und Niederdruckturbinen (NDT) mit bis zu 2½ Stufen durchgeführt werden. Die Leistungsabnahme der Turbine erfolgt über einen Bremsstrang mit Drehmomentenmesswelle, Getriebe und einem 1 MW DC-Motor als Bremsgenerator. Der Bremsgenerator erlaubt die Einstellung der Turbinendrehzahl mit einer Genauigkeit von ±1 Umdrehung/Min. Die aufgenommene Leistung wird dabei in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist. Eine mechanische Bremse verhindert eine unkontrollierte Zunahme der Turbinendrehzahl beim Versagen des Bremsgenerators bzw. während einer Notabschaltung der Anlage.

Messstrecke des NG-Turb, Ausbaustufe 1

 

Für den Einsatz von Hochdruckturbinen mit sogenannten Brennkammersimulatoren lässt sich die Verdichterluft für den neuen Turbinenprüfstand NG-Turb in einen gekühlten und einen zusätzlich elektrisch beheizten Strang aufspalten. Dabei werden heißer und kalter Luftstrom in ringbrennkammerartige Einsätze in der Messstrecke so zugeführt, dass Temperaturprofile ähnlich wie im Austritt der Brennkammer einer realen Gasturbine entstehen.

Der Versuchsstand wurde vorausschauend so konzipiert, dass in einer 2. Ausbaustufe eine Erweiterung auf 2 Wellen möglich ist. Damit werden auch experimentelle Untersuchungen an zweiwelligen Turbinenkonfigurationen, z. B. an einer Kombination von Hochdruck- mit Mittel- bzw. Niederdruckturbinen oder auch an gegenläufigen Turbinen, möglich.

Messstrecke des NG-Turb, Ausbaustufe 2

Die Leistungsdaten des Verdichters und die wichtigsten Parameter der Turbinenmessstrecke sind in den folgenden Tabellen aufgelistet.

Leistungsdaten Verdichter:

 

Getriebeverdichter (4 Stufen, radial)  
   
Hersteller MAN Diesel & Turbo SE  
   
Maximales Druckverhältnis

14

   
Volumenstrom

60 ÷ 230.000 m³/h 

   
Antriebsleistung

3,7 MW

   

 

Verdichterkennfeld

 

Parameter Turbinenmessstrecke:

 

Anzahl Turbinenstufen

≤ 2½

   

Reynoldszahlen

100.000 ÷ 1.000.000

   

Eintrittsdruck

≈ 10 ÷ 200 kPa

   

Eintrittstemperatur

≈ 300 ÷ 600 K

   

Maximales Druckverhältnis

≈ 10 ÷ 12

   

Maximaler Massenstrom

≈ 9 kg/s

   

Minimaler Nabenradius

180 mm

   

Maximaler Gehäuseradius (HDT)

350 mm

   

Maximaler Gehäuseradius (NDT)

450 mm

   

Wellenleistung (HDT)

≤ 1,5 MW

   

Wellenleistung (NDT)

≤ 1,0 MW

   

Drehzahl (HDT, NDT)

≤ 13.000 1/min

   
 

Um größere Umbauzeiten zwischen den einzelnen Experimenten zu vermeiden, wird der neue Turbinenprüfstand über eine sehr modular aufgebaute Messstrecke verfügen. Die Statoren (Leitschaufeln) der Stufen und der Brennkammersimulator werden verdrehbar eingebaut, so dass „Clocking"-Effekte untersucht werden können. Hilfskompressoren liefern genügend Druckluft zur Simulation von Kühlluftausblasung aus den Turbinenschaufeln und im Naben- und Gehäusebereich des Annulus. Eine gute Zugänglichkeit (auch optisch) ermöglicht den Einbau umfangreicher Messtechniken. Neben Standardmesstechniken wie pneumatische Sonden, Messstellen für stationäre und instationäre Drücke, Thermoelementen usw. kommen insbesondere zum Einsatz:

  • Qualitative und quantitative Lasermesstechniken, z. B. „Particle Image Velocimetry“ (PIV), Lichtschnitttechniken zur Erfassung von Kühlfilmausbreitung (Kühlluftkonzentrationen), „Transient Grating Spectroscopy“ und Rayleigh-Streuung zur Bestimmung von Temperaturen und Dichteverteilungen in der Strömung
  • Akustische Messtechniken, z. B. Erfassung des von der Turbine emittierten und transmittierten Schallfelds mit Hilfe von Mikrofonarrays in der Zu- und Abströmung
  • Bestimmung von stationären und instationären Druckverteilungen mit der „Pressure Sensitive Paint“ (PSP) Methode
  • Techniken für Wärmeübergangsmessungen und Messungen von Kühlfilmeffektivitäten, z. B. durch Bestimmung von Oberflächentemperaturen mit Infrarotkameras oder der „Temperature Sensitive Paint“ (TSP) Methode

Messungen im rotierenden System (auf den Rotorschaufeln) werden mit einem geeigneten Telemetriesystem übertragen.

 

Messstreckenquerschnitt, Ausbaustufe 2

 
 

 


Kontakt
Hans-Jürgen Rehder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Turbine
Tel: +49 551 709-2388

Fax: +49 551 709-2806

E-Mail: Juergen.Rehder@dlr.de
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Downloads zu diesem Artikel
Handout zu NGTurb (http://www.dlr.de/at/Portaldata/20/Resources/dokumente/tu/NGTurb_web.pdf)