Forschung
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.
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.
Forschungsschwerpunkte:
Der Luft- und Raumfahrtwissenschaftler Dr. Dirk Hilberg hätte fast in einer Spedition Karriere gemacht. Nun organisiert er Forschung an Zukunftstechnologien, für seinen Arbeitgeber Rolls-Royce wie in der FVV. Er ist davon überzeugt: Den einen Weg gibt es nicht. Doch irgendwann muss man Entscheidungen treffen.
Erfahren Sie mehrWelche 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.
Erfahren Sie mehrWinzige 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.
Zum ArtikelModellbasierte Berechnungswerkzeuge dienen der frühzeitigen Designbewertung. Der sinnvolle Einsatz ist nur dann möglich, wenn thermodynamische Vorgänge realitätsnah abgebildet werden können, für die ein ausreichend tiefgehendes Verständnis erforderlich ist. Daher erfolgten im Rahmen des FVV-Vorhabens „Thermisch beeinflusste ATL-Lagerreibung“ (FVV-Nr. 1238) an der Leibniz Universität Hannover (LUH) und der Technischen Universität Clausthal (TUC) Untersuchungen der Vorgänge an den Lagerstellen und den Wärmestrommechanismen innerhalb eines Pkw-Turboladers.
Zum ArtikelTurbolader 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.
Zum ArtikelProjekte der Planungsgruppe T »Turbomaschinen«
DNS-gestützte Entwicklung von prädiktiven LES-Modellen für Schadstoffemissionen in Gasturbinen
THEMISUntersuchung des Einflusses von Sekundärlufteinblasung auf den Wirkungsgrad einer 1,5-stufigen Turbine mit 3D-Schaufelkanal
THEMISRobuste Bruchkennwert-Ermittlung zur Verwendung der Kriechduktilität innerhalb fortschrittlicher Lebensdauerbewertungskonzepte – Konzeptentwicklung und Umsetzung
THEMISSystemwirkungsgradoptimale Verdichterauslegung für PEM-Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen
THEMISLeitung:
Dr. Dirk Hilberg
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