Forschung

TURBOMASCHINEN | Planungsgruppe T »Turbomaschinen«

Turbomaschinen zählen zu den leistungsfähigsten, von Menschenhand entworfenen Energiewandlern. Im Gegensatz zu Wasserturbinen nutzen thermische Turbomaschinen die Energie, die durch einen Verbrennungsprozess entsteht. Ob in Kraftwerken zur Stromerzeugung, in Turboladern für Otto- und Dieselmotoren oder in Strahltriebwerken für moderne Flugzeuge: Die Entwickler von Turbomaschinen stehen immer vor der Herausforderung, die Energie aus dem Verbrennungsvorgang möglichst effizient zu nutzen und damit den Wirkungsgrad weiter zu steigern.


»Ich halte es für einen Vorteil, dass ganz unterschiedliche Strömungsmaschinen, vom kleinen Abgasturbolader über Flugturbinen bis hin zu großen stationären Gasturbinen, in einer Planungsgruppe verbunden sind. Strömungsmechanik oder Grundlagen der Werkstofftechnik sind schließlich nicht von der Größe einer Maschine abhängig.« | Dr. Dirk Hilberg (Rolls-Royce Deutschland)


Schon heute ist der Wirkungsgrad von Gas- und Dampf-Kombikraftwerken mit mehr als 60 Prozent sehr hoch. Bis 2050 wollen die Entwickler den Wirkungsgrad auf 70 Prozent steigern. Ein Ansatzpunkt ist dabei, die Verbrennungstemperatur weiter zu erhöhen. Allerdings gehen mit höheren Temperaturen stärkere Schwingungen der Turbinenschaufeln einher. Die FVV-Forscher arbeiten deswegen an effektiven Maßnahmen zur Dämpfung, um Schäden an Turbinen und Anlagen zu vermeiden. Außerdem stellen die höheren Verbrennungstemperaturen neue Anforderungen an die Nachbehandlung der Abgase. Ferner haben sie Auswirkungen auf die eingesetzten Werkstoffe, die den Temperaturen dauerhaft standhalten müssen. Materialforscher untersuchen in zahlreichen FVV-Projekten deswegen das Bruch-, Kriech- und Ermüdungsverhalten der Metallwerkstoffe, die in den Turbinen verwendet werden.

Die FVV-Planungsgruppe Turbomaschinen arbeitet darüber hinaus an der weiteren Optimierung von Gasturbinen für Flugtriebwerke. Dabei geht es nicht nur um ein höheres Druckverhältnis von Verdichtern und Turbinen und damit auch hier um höhere Temperaturen, sondern auch um eine verbesserte Aerodynamik und die Verwendung von Leichtbau-Werkstoffen. Die vorwettbewerbliche Forschung in der FVV ist zur Erreichung den ambitionierten Ziele unerlässlich: So haben sich Flugzeug- und Turbinenhersteller dazu verpflichtet, bis 2050 die Kohlendioxid-Emissionen um 75 Prozent, den Stickoxidausstoß um 90 Prozent und die Lärmbelastung um 65 Prozent zu senken.


    Die Planungsgruppe T »Turbomaschinen« widmet sich folgenden Themen:

    • Wirkungsgrad und Effizienz von Turbinen, Kompressoren und Verdichtern
    • Alternative Kraftstoffe, Wasserstoffverbrennung
    • Innovative Werkstoffe und Beschichtungen

    Und bearbeitet folgende Forschungslinien/-schwerpunkte:

    • Aerodynamik von Turbomaschinen
    • Gesamtsystem Turbine, Radial- und Axialverdichter
    • Schaufelkühlung, Sekundärluftsysteme
    • Bauteilbeanspruchung, Schädigungs- und Versagensmechanismen
    • Hochtemperaturwerkstoffe und Beschichtung
    • Additive Fertigung
    Wirkungsgrad und Effizienz
    Entwicklungs- werkzeuge
    Material und Werkstoffe
    Komponenten
    Synthetische Kraftstoffe

    Menschen & Technologie

    Ein Interview mit Christopher Steinwachs

    Versorgungssicherheit langfristig und kosteneffizient

    Welche Rolle Gasturbinen und andere Turbomaschinen in der Energiewelt der Zukunft spielen, erklärt der stellvertretende Vorsitzende des Vorstands der FVV, Christopher Steinwachs, bei Siemens Energy verantwortlich für das weltweite Produktionsnetzwerk von Heißgaskomponenten für Gasturbinen.

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    Entwicklungswerkzeuge

    Mit ROMI gegen die Verstimmung

    Winzige Fertigungstoleranzen können dazu führen, dass Schaufeln in Turbomaschinen während des Betriebs verstärkt in Schwingung geraten. Forscher aus Hannover haben das Phänomen ergründet und damit den Grundstein für noch effizientere Turbinen gelegt.
     

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    MTZ 09/2019

    Mistuning und Dämpfung radialer Turbinen- und Verdichterlaufräder

    Turbolader tragen erheblich zur Steigerung des Motorenwirkungsgrads bei. Rotierende Komponenten sind infolge der Fliehkraft, der zur Aufladung notwendigen Strömungsumlenkungen, der instationären Druckschwankungen der Strömung sowie von Temperaturgradienten als hochbelastete Laufräder einzustufen, die unter erheblicher Schwingungsanfälligkeit leiden. Am Lehrstuhl Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen der BTU Cottbus-Senftenberg wurde im Rahmen eines FVV-Forschungsvorhabens der Einfluss der fertigungsbedingten Toleranzen auf eben jenes Schwingungsverhalten untersucht. Es wird nachgewiesen, dass Intentional Mistuning zu signifikant niedrigeren Belastungen führen kann.

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    Vorhersage von Gasturbinen-Emissionen

    DNS-gestützte Entwicklung von prädiktiven LES-Modellen für Schadstoffemissionen in Gasturbinen

    THEMIS
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    Sekundärlufteinfluss

    Untersuchung des Einflusses von Sekundärlufteinblasung auf den Wirkungsgrad einer 1,5-stufigen Turbine mit 3D-Schaufelkanal

    THEMIS
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    Robuste Bruchverformungs- kennwerte

    Robuste Bruchkennwert-Ermittlung zur Verwendung der Kriechduktilität innerhalb fortschrittlicher Lebensdauerbewertungskonzepte – Konzeptentwicklung und Umsetzung

    THEMIS
    M2419

    Brennstoffzellen-Verdichterauslegung

    Systemwirkungsgradoptimale Verdichterauslegung für PEM-Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen

    THEMIS
    PGT »Turbomaschinen«

    Leitung:
    Dr. Dirk Hilberg
    Rolls-Royce Deutschland


    Projektmanagement

    Dirk Bösel

    FVV
    +49 (0) 69 6603 1531
    +49 (0) 69 6603 2531

    Projektbetreuung / Teamassistenz

    Claudia Zettler

    FVV
    +49 (0) 69 6603 1190
    +49 (0) 69 6603 1290


    Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

    Lyoner Straße 18
    60528 Frankfurt am Main
    Deutschland
    T +49 69 6603 1345