Interstage Injection in Axialverdichtern : Sprayerzeugung in turbulenten Strömungen
Die kurzfristige Leistungssteigung von stationären Gasturbinen wird vielfach durch den Einsatz des Verfahrens der Nassverdichtung realisiert, ein Verfahren bei dem ein Wasserspray im Bereich des Ansaughauses vor Eintritt in den Verdichter in die Luftströmung eingebracht wird. Dabei verdunstet ein Teil der Wassertropfen bereits im Ansaughaus, ein anderer Teil während des Verdichtungsprozesses innerhalb des Verdichters. Die Abkühlung der Strömung durch die Verdunstung vor Eintritt in den Verdichter schränkt die Anwendung dieses Verfahrens insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen aufgrund der Gefahr des Vereisens der ersten Schaufelreihen ein.
Eine Weiterentwicklung der Nassverdichtung ist das Konzept der Interstage Injection. Bei diesem Verfahren wird das Spray während des Verdichtungsprozesses an definierten Positionen innerhalb des Verdichters in die Luftströmung eingespritzt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Wasser unabhängig von der Umgebungstemperatur in den Verdichters eingebracht werden kann. Durch die komplexen Strömungsverhältnisse innerhalb des Verdichters ist eine homogene Verteilung des Sprays als Voraussetzung für die effiziente Verdunstung jedoch besonders herausfordernd. Die sprayerzeugenden Düsen müssen unter Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse in geeigneter Weise auf den nicht rotierenden Bauteilen des Verdichters angeordnet und geeignet ausgelegt werden.
Eine Möglichkeit der Sprayerzeugung innerhalb des Verdichters ist die Integration einer Zweistrahldüse in die Hinterkante der Leitschaufeln. Eine Zweistrahldüse bringt zwei Flüssigkeitsstrahlen zur Kollision. Durch den Impuls an der Kollisionsstelle entsteht ein Spray, dessen Beschaffenheit und Ausbreitungsrichtung durch den Kollisionswinkel und die Geschwindigkeit der Wasserstrahlen maßgeblich geprägt wird.
Die erste Herausforderung bei der Umsetzung besteht in der konstruktiven Integration der Düse in den filigranen Hinterkantenbereich der Leitschaufeln. Unter Zuhilfenahme des Laser-Selective-Melting-Verfahrens können wasserführende Kanäle in die Leitschaufel integriert und gleichzeitig die mechanische Integrität sichergestellt werden. Mittels Draht-Erodier-Verfahren werden die extrem kleinen Düsenbohrungen in die Hinterkante eingebracht.
Die zweite Herausforderung besteht darin die Zweistrahldüsen so auf der Hinterkante der Leitschaufeln anzuordnen, dass auch bei Bedingungen wie sie in einem Verdichter vorliegen ein geeignetes Spray erzeugt wird. Das betrifft vor allem die Anforderung sehr kleine, schnell verdunstende Tropfen die der Strömung folgen in einer Umgebung zu erzeugen, die durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten sowie räumliche Inhomogenitäten des Strömungsfeldes charakterisiert ist.
Zunächst werden daher in dieser Arbeit der Einfluss der Geschwindigkeit der Wasserstrahlen, des Kollisionswinkels sowie der Oberflächenspannung auf die Sprayentstehung in ruhender Umgebung untersucht. Hierfür werden die Geschwindigkeit der Tropfen sowie deren Durchmesser mit einem laserbasierten Messverfahren bestimmt und Schlussfolgerungen über die optimierte Anordnung der Düsenbohrungen abgeleitet. Die Messergebnisse zeigen, dass eine möglichst hohe Geschwindigkeit bei gleichzeitig fast rechtwinkligem Aufeinandertreffen der Wasserstrahlen ideal ist. Das Spray weist bei dieser Bohrungsanordnung eine räumlich weite Verteilung bei gleichzeitig kleinem Tropfendurchmesser auf. Weiterhin ist festzustellen, dass der Einfluss der Oberflächenspannung, hervorgerufen durch eine Veränderung der Wassertemperatur, bei der Sprayentstehung eine untergeordnete Rolle spielt.
Findet die Sprayerzeugung mittels Interstage Injection innerhalb eines Verdichters statt, werden die Tropfen durch die Luftströmung in ihrer Ausbreitung und gegenseitigen Interaktion beeinflusst. Insbesondere die in einer Verdichterströmung auftretenden lokal unterschiedlichen Geschwindigkeitsgradienten stellen eine besondere Herausforderung für die Sprayentstehung und Sprayausbreitung dar.
Um diese Effekte zu erforschen werden in dieser Arbeit Messreihen in einem speziell für diesen Anwendungsfall konstruktiv ausgelegten und kontinuierlich durchströmten Gitterwindkanal durchgeführt. Dieser Gitterwindkanal ermöglicht, die im Bereich der Leitschaufeln eines Verdichters vorherrschenden Strömungsbedingungen nachzubilden und die Einflüsse unterschiedlicher Betriebsbedingungen auf die Sprayentstehung und Spraysausbreitung zu untersuchen. Untersucht werden der Einfluss des Impulsstromdichteverhältnisses sowie der Einfluss der Geschwindigkeit der überlagerten Luftströmung.
Anhand der Messdaten sind mehrere Effekte zu beobachten. Einerseits kann keine gleichmäßige räumliche Sprayverteilung stromab der Schaufelhinterkante erreicht werden. Grund hierfür ist, dass die Tropfen durch den Impuls der Luftströmung abgelenkt werden. Andererseits weist das Spray einer Zweistrahldüse unabhängig von der Geschwindigkeit der Luftströmung und der Geschwindigkeit der Wasserstrahlen annähernd identische Tropfendurchmesser mittlerer Größe auf. Ursächlich hierfür sind die Effekte der Koaleszenz und des Sekundärzerfalls. Die Koaleszenz bewirkt, dass sich aufeinander treffende Tropfen zu größeren Tropfen zusammenschließen. Der Sekundärzerfall wirkt dem entgegen. Durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Spraytropfen und überlagerter Strömung zerfallen größere Tropfen wieder zu kleineren Tropfen. Auf diese Weise entsteht durch die Sprayerzeugung beim in der Untersuchung gewählten Düsendurchmesser ein robustes Spray.
Die Ergebnisse der Messungen werden gestützt durch die parallel dazu ausgeführten numerischen Analysen der Zweiphasenströmung und zeigen, dass das Verfahren der Interstage Injection in einem stationären Axialverdichter durch Integration von Zweistrahldüsen in die Hinterkante der Leitschaufeln realisiert werden kann. Zudem ist das entstehende Spray robust gegenüber Änderungen des Betriebspunkts des Verdichters.
Dementsprechend kann in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass die Sprayerzeugung mittels Zweistrahldüsen grundsätzlich für das Verfahren der Interstage Injection geeignet ist. Für den abschließenden Nachweis der kommerziellen Eignung des Verfahrens ist jedoch eine weitergehende Untersuchung im rotierenden System notwendig.
Wet compression is a widely used process to increase the short-term performance increase of stationary gas turbines by introducing water droplets into the air flow before entering the compressor. Some of the water droplets evaporate before entering the gas turbine, while others evaporate during the compression process inside the compressor. The cooling of the flow through evaporation before it enters the compressor limits the use of this process, particularly at low ambient temperatures, due to the risk of icing of the first blade rows.
An improved application of wet compression is the concept of interstage injection. In this process, the spray is injected into the air flow at defined positions within the compressor. This process has the advantage that water can be injected into the compressor regardless of the ambient temperature. However, due to the complex flow conditions within the compressor, homogeneous distribution of the spray is particularly challenging as a prerequisite for efficient evaporation. The spray-generating nozzles must always be suitably arranged and designed on the non-rotating components, taking into account the flow conditions.
One way of generating spray within the compressor is to integrate a twin-jet nozzle into the trailing edge of the guide vanes. A twin-jet nozzle causes two liquid jets to collide. The impulse at the collision point produces a spray whose properties and direction of propagation are significantly influenced by the collision angle and the speed of the water jets.
The constructive challenge is the integration of the nozzle into the trailing edge of the guide vanes. With the help of the laser selective melting process, it is possible to integrate water-bearing channels into the guide vane and at the same time ensure mechanical integrity of the blade. The extremely small nozzle holes are drilled into the trailing edge using a wire erosion process. Additionally, the effective use of twin-jet nozzles in conditions such as those found in a compressor is challenging. This primarily concerns the requirement to produce very small, rapidly evaporating droplets that follow the flow in an environment characterized by high air flow velocities and spatial inhomogeneities in the flow field.
First, the influence of the velocity of the water jets, the collision angle and the surface tension on the spray formation is investigated in a stationary environment. For this purpose, the velocity of the droplets and their diameter are determined using a laser-based measuring method and conclusions are drawn about the optimized arrangement of the nozzle holes. The measurement results show that the high velocity combined with an almost right-angled impact of the water jets is ideal for spray generation. With this arrangement, the spray then has a wide spatial distribution combined with a small droplet diameter. It is also found that the influence of surface tension, caused by a change in water temperature, plays a subordinate role in spray formation.
If spray generation takes place by means of interstage injection within a compressor, the droplets are influenced by the air flow in their dispersion and mutual interaction. In particular, the locally varying velocity gradients occurring in a compressor flow is a challenge for spray generation and spray propagation.
In order to investigate these effects, series of measurements are carried out in a wind tunnel specially designed for this application. This wind tunnel makes it possible to simulate the flow conditions prevailing in the area of the guide vanes of a compressor and to investigate the influences of different operating conditions on spray formation and spray propagation. The influence of the impulse flow density ratio and the velocity of the superimposed air flow is investigated.
Based on the measurement data, several effects can be observed. On the one hand, no uniform spatial spray distribution can be achieved downstream of the trailing edge of the blade. The reason for this is that the droplets are deflected by the momentum of the air flow. On the other hand, the spray from a twin-jet nozzle has almost identical droplet diameters of average size, regardless of the speed of the air flow and the speed of the water jets. This is due to the effects of coalescence and secondary breakup. Coalescence causes droplets that meet to merge into larger droplets. Secondary breakup counteracts this. Due to the relative velocity between the spray droplets and the superimposed flow, larger droplets break up into smaller droplets. By means of these two effects it is possible to generate a robust spray with the nozzle diameter selected in the investigation.
The results of the measurements are supported by the numerical analyses of the two-phase flow carried out in parallel to the measurements and show that the interstage injection process can be implemented in a stationary axial compressor by integrating two-jet nozzles into the trailing edge of the guide vanes. In addition, the resulting spray is robust against changes in the operating point of the compressor.
Accordingly, this work demonstrates that the interstage injection process using twin-jet nozzles is fundamentally suitable for use. However, further investigation in a rotating system is necessary for final proof of the commercial suitability of the process.