Validierungsexperiment für Modelle zur Vorhersage von Tropfenbewegungen bei der Nassverdichtung
In Deutschland und weltweit gewinnt der Anteil regenerativer Energien am Strommix zunehmend an Bedeutung. Dies macht Konzepte erforderlich, die deren schwankende Verfügbarkeit ausgleichen können. Hierfür sind stationäre Gasturbinen aufgrund ihrer Fähigkeit, in wenigen Minuten Nennleistung zu liefern, ein geeignetes Mittel. Zudem können sie mit der Technologie der Nassverdichtung, engl. Wet Compression, ausgerüstet werden, um in wenigen Sekunden die Ausgangsleistung um circa 10 % zu erhöhen. Hierbei wird Wasser in feinen Tropfen vor oder zwischen den Verdichterstufen eingespritzt, das durch Verdunstung die Prozessluft kühlt und eine isotherme Verdichtung annähert. Um das volle Potenzial der Wassereinspritzung ausschöpfen zu können, müssen in der Auslegungsphase die optimalen Einspritzparameter bestimmt werden. Zum Beispiel müssen Tropfenablagerungen auf Schaufeln reduziert werden, da sich diese aerodynamisch und mechanisch nachteilig auf den Prozess auswirken. Zudem erhöhen große Tropfen durch das Aufschlagen auf den Schaufeln das Risiko der Schaufelerosion und des Flammenabrisses in der Brennkammer.
In dieser Arbeit wird die Methode CODICS entwickelt, mit der die Tropfenbewegung in rotierenden Strömungen, insbesondere von Axialverdichtern, vorhergesagt werden kann. Die Methode basiert mathematisch auf der lagrange’schen Partikelbewegung in einer Trägerphase. Als Grundlage werden hierfür CFD-Berechnungen der trockenen Strömung herangezogen. Zudem wird die Tropfenablagerung auf den Schaufeln und deren Wiedereintritt durch ablösende Filme berücksichtigt. Um die Tropfen unmittelbar nach der Einspritzung und beim Wiedereintritt zu initalisieren, werden in den Axialspalten eines vierstufigen Axialverdichters Lasermessungen durchgeführt. Mit diesen und Messungen der Stufenparameter wird CODICS experimentell validiert. Mit der entwickelten Methode lassen sich Zonen erhöhten Erosionrisikos identifizieren, die in der Auslegung durch gezielte Maßnahmen geschützt werden können. Bei Anwendung auf mehrere Stufen können zudem Verdunstungsmodelle implementiert werden, mit denen sich die Leistungsausbeute der Wet Compression maximieren lässt.
Die Analyse zeigt, dass für die erzeugten Sprays bis zu 70 % der Tropfen auf den Schaufeln ablagern. Sekundärtropfen, die durch ablösende Filme entstehen, zeigen im Vergleich zur Luft geringe Geschwindigkeiten auf. Größere Tropfen mit Durchmessern von 20 bis 40 μm lagern in der nächsten Schaufelreihe erneut ab. Kleine Primär- und Sekundärtropfen <15 μm hingegen können der Luft gut folgen. Weiterhin zeigt sich eine Erhöhung des Antriebsmoments aufgrund höherer mechanischer Verluste und eine Reduzierung der Stufendruckverhältnisse aufgrund von Impulsverlusten.
In Germany and worldwide, the share of renewable energies in the electricity mix is growing steadily. This requires concepts that can compensate for their fluctuating availability. Stationary gas turbines are a suitable means as they can be started up in just a few minutes. They can also be equipped with the Wet Compression technology to increase the output power by around 10 % within seconds. Here, water is injected in the form of fine droplets before or between the compressor stages, which subsequently cools the air through evaporation which approaches an isothermal compression. In order to utilise the full potential of water injection, the optimum injection parameters must be determined during the design phase. For example, droplet deposits on blades must be reduced, as this has an aerodynamically and mechanically detrimental effect on the process. In addition, large droplets lead to higher risk of blade erosion by hitting the blades and of flameout in the combustion chamber.
In this work, the method CODICS is developed, with which the droplet motion in rotating flows, in particular of axial compressors, can be predicted. The method is mathematically based on the Lagrangian particle motion in carrier gases. As a basis CFD calculations of the dry flow are used for this purpose. In addition, droplet deposition on the blades and their re-entry through detaching films are taken into account. In order to initialise the droplets immediately after injection and during re-entry, laser measurements are carried out in the axial gaps of a four-stage axial compressor. These and measurements of the stage parameters are used to experimentally validate CODICS. The developed method can be used to identify zones of increased erosion risk, which can be protected by targeted measures in the design. When applied to several stages, evaporation models can also be implemented to maximise the performance yield of wet compression.
The analysis shows that up to 70 % of the droplets are deposited on the blades for the sprays produced. Secondary droplets, which are formed by detaching films, show low velocities compared to air. Larger droplets with diameters of 20 to 40 μm redeposit in the next blade row. Small primary and secondary droplets <15 μm, on the other hand, can follow the air well. Furthermore, there is an increase in the drive torque due to higher mechanical losses and a reduction in the stage pressure ratios due to momentum losses.