Ein neuer Versuchsträger für die Untersuchung der Hochdruckstufen von Verdichtern stationärer Gasturbinen

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1 Ein neuer Versuchsträger für die Untersuchung der Hochdruckstufen von Verdichtern stationärer Gasturbinen PD Dr.-Ing. Horst Saathoff Workshop 15 Jahre NGV Dresden Forschung zur Verdichteraerodynamik

2 Vorhaben-Nr COORETEC-turbo: Effiziente, teillaststabile Verdichterbeschaufelung* Bestimmung der max. möglichen aerodynamischen Belastung sowie der Spaltsensitivität der hinteren Stufen des Siemens Energy HPA-Verdichters Druckverhältnis Pumpgrenze Fahrlinie für Schwachgas = konst. N * = konst. Fahrlinie für Brennstoff mit hohem Heizwert Massenstrom Anwendungsfall: IGCC-Kraftwerke, in denen Gasturbinen mit effizientem Off-Design Betriebsverhalten benötigt werden * Das Vorhaben wurde gefördert vom Bundesministerium für Forschung und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Seite 2 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

Siemens Gasturbine SGT5-8000H Abgabeleistung

2:1 Austrittsmassenstrom: 820 kg/s Nenndrehzahl

Wirkungsgrad Gasturbine: 40 % Abgastemperatur:

0 m Länge Gasturbine: 13.2 m Gesamtgewicht: ca.

3 Siemens Gasturbine SGT5-8000H Abgabeleistung Gasturbine: 375 MW Gesamtdruckverhältnis: 19.2:1 Austrittsmassenstrom: 820 kg/s Nenndrehzahl Rotor: 3000 U/Min. Wirkungsgrad Gasturbine: 40 % Abgastemperatur: 625 C Durchmesser Gasturbine: 5.0 m Länge Gasturbine: 13.2 m Gesamtgewicht: ca. 440 t Verdichter/Turbine: 13/4 Stufen Seite 3 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

4 Projektablauf Arbeitspakete: AP 0000: Projektmanagement Das Projektmanagement wird von Siemens Energy in Mülheim durchgeführt. AP 1000: Entwurf des Prüfstands Der Entwurf umfasst die Beschaufelung (Siemens Energy), Rotor und Gehäuse sowie die Instrumentierung (AneCom AeroTest). AP 2000: Fertigung des Prüfstands Fertigung und Zusammenbau der Komponenten des Prüfstands inklusive der Instrumentierung (AneCom AeroTest) sowie der Beschaufelung (Siemens Energy). AP 3000: Modifikationen des Prüffelds Adaptation des Strömungskanals (Eintritt/Austritt) sowie der Antriebswelle, Montage des Prüfstands in das Prüffeld (AneCom AeroTest). AP 4000: Test, Analyse und Bericht Durchführung der Messungen, Datenermittlung und -analyse sowie Berichterstellung (AneCom AeroTest/Siemens Energy). Seite 4 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

5 Auslegungspunkt Auslegungspunkt des Verdichterprüfstands wurde abgeleitet vom Siemens Energy HPA-Verdichter Eintrittsmassenstrom: 25 kg/s (Eintrittsmassenstrom wurde geringfügig reduziert um fehlende Luftentnahme auszugleichen) Druckverhältnis: > 2.5 Die Drehzahl wurde um 25% aufgrund der niedrigeren Eintrittstemperatur (Umgebung) reduziert Reynoldszahl Re = bei 15% des HPA-Verdichters Seite 5 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

Lager-Modul (Brennkammersimulator) Interface LP-Prüfstand AneCom CDR

6 Verdichterentwurf Gesamtansicht Interface LP-Prüfstand AneCom Einlauf-Modul vorderes Lager- Modul Gehäuse-Modul hinteres Lager-Modul (Brennkammersimulator) Interface LP-Prüfstand AneCom CDR Rotor-Modul Seite 6 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

7 Verdichterfertigung / -montage vorderes Lager-Modul Seite 7 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

8 Verdichterfertigung / -montage Rotortrommel Seite 8 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

9 Verdichterfertigung / -montage beschaufelter Rotor Rotor in Schleifbearbeitung Seite 9 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

10 Verdichterfertigung / -montage beschaufeltes Gehäuse Gehäuse instrumentiertes Gehäuse Seite 10 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

11 Verdichterfertigung / -montage Brennkammersimulator Seite 11 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

12 Verdichter bereit zum Test Seite 12 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

13 Verdichter im Prüffeld Seite 13 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

Es wurden 334 Kennlinienpunkte gemessen.

14 Testdurchführung Der Verdichter konnte von Beginn an ohne mechanische Probleme betrieben werden. Es waren ca Messstellen im Einsatz. Es wurden 334 Kennlinienpunkte gemessen. Es wurden 28 Pumppunkte angefahren. Seite 14 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

15 Ergebnisse Gemessenes Verdichterkennfeld im Vergleich zur S2-Rechnung (Referenz) Seite 15 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

16 Ergebnisse 1,2 Druckverteilung entlang des Gehäuses (P-P _VK_VLe0)/(P _HK_NLE-P _VK_VLe0). 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Vorhersage Messung -0,2 VK LE0 VK LA1 VK LE1 VK LA2 VK LE2 VK LA3 VK LE3 VK LA4 VK LE4 VK LA5 VK LE5 VK LA6 VK LE6 VK NLE HK NLE Station C1.40 P5.00 Seite 16 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

17 Ergebnisse Radiales Profil an der Vorderkante von Stator 3 Radiales Profil an der Vorderkante von Stator relative Kanalhöhe [%] relative Kanalhöhe [%] Scan 1: T/T_mittel Scan 2: T/T_mittel Scan 1: Approximation Scan 2: Approximation Scan 1: P/P_mittel 20 Scan 2: P/P_mittel 10 Scan 1: Approximation Scan 2: Approximation 0 0,97 0,98 0,99 1,00 1,01 1,02 1,03 P / P_mittel [-] Scan 1: C1.40 P5.00 Scan 2: C1.40 P ,995 1,000 1,005 1,010 1,015 1,020 1,025 1,030 1,035 T / T_mittel [-] Scan 1: C1.40 P5.00 Scan 2: C1.40 P11.00 Radiales Profil an der Vorderkante von Stator 3, 100% ND Scan 1: Punkt auf Arbeitslinie, Scan 2: Punkt nahe Pumpgrenze Druckverteilung (links) und Temperaturverteilung (rechts) Seite 17 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

18 Ergebnisse Gemessenes Verdichterkennfeld, Variation der Reynoldszahl Seite 18 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

19 Erfolgreicher Testabschluss Seite 19 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

20 Zusammenfassung Das COORETEC-turbo Vorhaben : Effiziente, teillaststabile Verdichterbeschaufelung wurde zum erfolgreich abgeschlossen. Zur experimentellen Untersuchung der hinteren Stufen eines Gasturbinenverdichters wurde ein 6-stufiger skalierter Versuchsverdichter entworfen, gebaut und erfolgreich getestet. Die experimentellen Untersuchungen ergaben für alle betrachteten Drehzahlen eine bessere Pumpgrenze als vorausbestimmt. Mit diesem vergrößerten Arbeitsbereich ist somit eine Verlagerung der Arbeitslinie zur Ausnutzung höherer Wirkungsgrade für die vorliegende HPA Beschaufelung möglich. Messungen bei Variation der Reynoldszahl liefern darüber hinaus eine zusätzliche Basis zur Übertragung der Ergebnisse auf die reale Maschine. Seite 20 Dresden, 5. November 2010 PD Dr.-Ing. Horst Saathoff

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