Grosse Turbinenschaufeln neuer Technologie fuer umweltschonende Gasturbinen. Teilprojekt: Verhalten von Fehlstellen und kurzen Rissen Abschlussbericht GT1

As a partner in this project, Siemens Power Generation investigated the crack propagation characteristics of short cracks in CMSX4. This involved crack propagation tests under dynamic and static load, creep tests on samples of different geometries, and life calculations, with the following results: No typical short cracking behaviour was observed under dynamic loads. Short crack propagation at 950 C under static load is well described by the fracture mechanical parameter C* integral. Notched bar creep tests showed longer times to cracking for notched bars.In dem Verbundprojekt hat Siemens Power Generation u.a. die Untersuchungen von Rissausbreitungsverhalten von Kurzenrissen in CMSX4 als Hauptaufgabe bekommen. Dabei wurden Rissausbreitungsversuche unter dynamischer und statischer Belastung, Kriechversuche an Proben verschiedener Geometrie und Lebensdauerberechnung durchgefuehrt. Die wesentlichen Ergenisse sind wie folgt kurz zusammengefasst. Bei dynamischer Belastung ist kein typisches Kurzrissverhalten beobachtet worden. Kurzrissausbreitung bei 950 C unter statischer Belastung kann mit bruchmechanischer Parameter C*-Integral gut beschrieben werden. Die Kriechversuche an gekerbten Proben haben herausgefunden, dass die gekerbten Proben laengere Bruchzeit haben. (orig.)Available from TIB Hannover: F02B1268 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung und Forschung, Berlin (Germany)DEGerman

Druckkohlenstaubfeuerung. Phase 3a. Forschungsteilbereich: Korrosion und Belagbildung bei Gasturbinen Abschlussbericht

Wear rates in GT materials and pollutant concentrations in the flue gas provided a basis for establishing permissible impurities in coal-derived working gas for gas turbine operation. The test apparatus was the same as in the preceding investigations, and the set variables remained the same. A test facility with film cooling was developed in order to assess the effects of film cooling on corrosion and deposit formation from flue gas constitutents. As a theoretical contribution, a study was carried out which involved the calculation of the potential performance of a combined cycle power station on the basis of several constructional and operating variants. Requirements on the DKSF process were established from the view of gas turbine development.Aus den in Langzeittests erhaltenen Abzehrraten an den eingesetzten GT-Werkstoffproben und den dabei gemessenen Schadstoffgehalten im Rauchgas sollen zulaessige Verunreinigungen im kohlestaemmigen Arbeitsgas fuer den Gasturbinen-Leistungsbetrieb abgeleitet werden. Fuer die in der Phase 3a durchgefuehrten Gasturbinen-Werkstofftests wurde weiterhin die bereits in der Phase 2 und 3 eingesetzte DKSF-Pruefapparatur (Abb. 1) fuer GT-Werkstoffproben mit Prallkuehlung verwendet. Probenform (Abb. 2) und probenseitig eingestellte Oberflaechentemperaturen fuer die Testkoerper mit Prallkuehlung blieben ebenfalls unveraendert. Die im Verlauf der Phase 3 entwickelte und gebaute Teststrecke fuer GT-Werkstoffproben mit Filmkuehlung wurde waehrend der Phase 3a nicht eingesetzt. Die Teststrecke mit Filmkuehlung wurde in der Phase 3 entwickelt, um den Einfluss der Filmkuehlung auf Korrosion und Ablagerungsverhalten von Rauchgasbestandteilen beurteilen zu koennen. Als theoretischer Beitrag des Teilvorhabens wurde eine Studie angefertigt die, basierend auf verschiedenen Bau- und Betriebsvarianten eines DKSF-Kraftwerks, das Wirkungsgradpotenzial eines gesamten Kombikraftwerkes mit DKSF ermittelt und Anforderungen an den DKSF-Prozess aus Sicht der Gasturbinenentwicklung aufzeigt. (orig.)Available from TIB Hannover: F03B629 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung und Forschung, Berlin (Germany)DEGerman

GuD-Kraftwerk '500 MW auf einer Welle' (AG TURBO II). Vorhaben 3.3.2.B.: Modellierung von Mehrfachbrennersystemen 'Instationaere Mischung: Modellbildung' Abschlussbericht

Es wurden grundlegende Erkenntnisse zur zeitlichen als auch raeumlichen Mischungsguete eines Luft-Gasgemisches erzielt. Vor dem Hintergrund der Minimierung von Stickoxidemissionen von Gasturbinen lassen sich durch Verbesserung der Brennstoff/Luft Mischung in der Vormischpassage vor der Flammenzone die Emissionen deutlich reduzieren. Phase 1 beinhaltet den Aufbau eines CFD Modells zur Untersuchung der sowohl zeitlichen als auch raeumlichen Mischungsguete eines quer zur Hauptstroemung eingeduesten Tracer-Luft-Gasgemisches. Dabei erfolgte die Implementierung einer zusaetzlichen skalaren Erhaltungsgleichung zur Berechnung der turbulenten zeitlichen Konzentrationsschwankungen. Durchgefuehrte Variantenrechnungen zeigten hinsichtlich der oertlichen und zeitlichen Mischungsguete gute Uebereinstimmung mit experimentellen Messergebnissen. Wesentliche variierte Parameter waren: Die turbulente Schmidtzahl, der Einduesungsdurchmesser, die Massenstromverhaeltnisse und der Einfluss des statischen Mischers auf das Mischungsverhalten des Brennstoff-Luftgemisches. Fuer eine ausgewaehlte Variante erfolgte in Phase 2 der Aufbau eines CFD Modells zur Untersuchung der Mischungsguete eines quer zur Hauptstroemung eingeduesten Tracer-Luft-Gasgemisches bei gleichzeitiger Umlenkung der Stroemung durch in die Hauptstroemung eingebrachte Schaufeln. Die Einduesung des Tracer-Luft-Gasgemisches erfolgte direkt ueber die in den Kanal eingebauten Schaufeln. Wegen der unterschiedlichen Druckverteilung auf Druck und Saugseite der Schaufeln ist das Mischungsverhalten im Vergleich zur unverdrallten Einduesung deutlich schlechter, was sowohl die experimentellen Messungen als auch die numerischen Berechnungen belegen. In Phase drei wurde ein Stickoxid-Vorhersage-Modell basierend auf einer 5 Schritt Reaktionskinetik in das vorhandene EDM-Verbrennungsmodell des CFD-Codes integriert und mit an Gasturbinen ermittelten Emissions Messwerten in Phase 4 validiert. Anfaengliche deutliche Unterschiede zwischen Messergebnissen und CFD-Ergebnissen hinsichtlich der Stickoxid-Emissionen konnten durch Optimierung des Verbrennungsmodells behoben werden. Deutliche Defizite weist das Modell jedoch bei der Vorhersage von CO-Emissionen auf. Die fuer die Phase 5 geplante zusaetzliche Validierung des CFD Modells an Hand von atmosphaerischen Stick-oxid-Messungen konnte nicht erfolgen, da die seitens der Uni Bochum geplanten atmosphaerischen Verbrennungsversuche wegen mangelnder Flammenstabilitaet nicht in zufriedenstellender Weise durchgefuehrt werden konnten. Die erwaehnten Defizite der 5-Schritt-Reaktionskinetik bei der CO-Vorhersage werden weitgehend durch den Einsatz des ILDM Verbrennungsmodells behoben werden, was Schwerpunkt des aktuellen Forschungsprojektes 4.4.6 von AG-Turbo II ist. (orig.)The temporal and local mixing quality of an air/gas mixture was investigated. Emissions can be reduced significantly by improving the fuel/air ratio in the premix passage ahead of the flame zone. Phase 1 comprised the development of a CFD model for investigating the temporal and local mixing quality of a tracer/air gas mixture injected normal to the main flow direction. An additional scalar conservation equation was implemented for calculating the turbulent temporal concentration variations. Variant calculations were carried out; the results were in good agreement with experimental findings. The following variables were measured: The turbulent Schmidt number, the injection diameter, the mass flow ratios, and the influence of the static mixer on the mixing characteristics of the fuel/air mixture. In phase 2, a CFD model was developed for investigating the mixing quality of a tracer/air gas mixture injected normal to the main flow direction and with simultaneous flow deflection by blades installed in the main flow passage. Here, the mixing quality was significantly lower both in the experimental measurements and in the calculations. In phase 3, a NOx prediction model based on a 5-step reaction kinetics was integrated in the available EDM combustion model of the CFD code. It was validated in phase 4 on the basis of NOx emission measurements on gas turbines. Initially, there were significant variations between the measurements and CFD results; these were overcome, however, by optimising the combustion model. However, the model clearly did have deficiencies in the prediction of CO emissions. In phase 5, the CFD model was to be validated additionally on the basis of atmospheric NOx measurements. This was not possible as the atmospheric combustion experiments planned at Bochum University did not achieve sufficient flame stability. The deficiencies of the 5-step reaction kinetics in CO prediction were overcome by the use of the ILDM combustion model, which is the central subject of the current research project 4.4.6 of AG-Turbo II. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F04B608 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung und Forschung (BMBF), Bonn (Germany)DEGerman

GuD-Kraftwerk '500 MW auf einer Welle' (AG TURBO II). Teilverbundprojekt 'Kraftwerk-Systeme'. Vorhaben 3.3.1: Modellierung pilotierter Mehrfachbrennersysteme, Analyse der SIEMENS PG Brennkammer Abschlussbericht

Demands on modern gas turbine systems are high efficiency and low emissions. Due to that nearly all gas turbine systems use piloted premixed combustion. Modeling of combustion processes withComputational Flow Dynamics CFD suffers from the complexity of combustion chemistry. The direct application of kinetics leads to hugh and stiff differential equation systems, which are impossible to solve in 3D flow simulation. Hence normally so called reduced mechanisms are used which are not be able to model turbulent premixed combustion with flame interaction correctly. Therefore in this study a new combustion model, the 'intrinsic low dimensional manifold' ILDM model was used together with the presumed 'probability density function' PDF method to get lookup tables, which can be accessed by a commercial CFD program. The result has been tested by direct comparison with experiments of an industrial burner system. It has been shown that this approach gives a significant improvement compared to standard combustion models. Moreover it is possible to get additional information on concentration of species directly from the simulation which were not available in the past. So this study results in a new powerful tool that is available for increasing both efficiency and environmental care in fossil power generation. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F04B609 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman

GuD-Kraftwerk ' 500 MW auf einer Welle' (AG TURBO II). Teilprojekt 4.2.6 B: Abstroemung aus der letzten Turbinenstufe durch den Diffusor in den Kondensator Schlussbericht und Erfolgskontrollbericht

For the protection of resources and for the reduction of the environmental impacts it is necessary to further develop the transformation technologies of the fossil fuels still available on a long-term basis and above all to increase the efficiencies. With condensing turbines there is a still unused potential particularly in advancements of the overall system last stage/diffuser/exhaust hood. - This overall system was investigated in the entire so far only in few places. Therefore, a goal of this project was to develop a secured numerical tool for the optimum design of the area from last stage to condenser entrance in cooperation of experimental investigations (subproject A) as well as advancement and application of numerical tools (subproject B). - The experimental investigations served to supply boundary conditions for the design tool as well as to its validation and verification. Therefore, an existing diffuser test stand was rigged and the initial state of the flow was measured. With comprehensive parameter variations the dependence of the losses of the affecting variables were then examined. In each case several measurement planes as well as stationary pressure measurements at the casing were to be made. Global flow visualizations supplemented the aero-/thermodynamical measurements. - The results of the experimental investigations point out clearly the dependence of the flow and, on the other hand in addition, for the diffuser pressure recovery on the varied parameters. At first, all data found entrance as boundary conditions into the computational fluid dynamics code used by the industrial partner. Moreover, they served for its validation. Good agreements were determined, so that an outstanding basis for the configuration of a design tool was given, which detects the interaction of the outflow of the low-pressure steam turbine with the exhaust hood. In a data base the outflow characteristics of the output stages were collected. - Thus, the important area last stage/diffuser/exhaust hood can be computed at comparatively small cost. This is crucial on the one hand for the daily use of the design tool, on the other hand in addition, for the design of the exhaust hood of new installations. (orig.)Zur Schonung der Ressourcen und zur Minderung der Umweltbelastungen ist es notwendig, die Umwandlungstechnologien der langfristig noch verfuegbaren fossilen Brennstoffe weiter zu entwickeln und vor allem die Wirkungsgrade zu steigern. Bei Kondensationsdampfturbinen liegt hierfuer ein weitgehend noch ungenutztes Potential vor allem in Weiterentwicklungen des Gesamtsystems Endstufe/Diffusor/Abdampfgehaeuse. - Dieses Gesamtsystem wurde bislang nur an wenigen Stellen im gesamten erforscht. Ziel dieses Vorhabens war es deswegen, im Zusammenwirken von experimentellen Untersuchungen (Teilprojekt A) sowie der Weiterentwicklung und Anwendung numerischer Tools (Teilprojekt B) ein belastbares numerisches Designsystem zur optimalen Auslegung des Bereiches Endstufe bis Kondensatoreintritt zu entwickeln. - Die experimentellen Untersuchungen dienten der Bereitstellung von Randbedingungen fuer das Designsystem sowie zu dessen Validierung und Verifizierung. Dazu wurde ein vorhandener Diffusorversuchsstand zunaechst modell- und messtechnisch aufgeruestet und der Ausgangszustand stroemungstechnisch vermessen. Anhand von umfangreichen Parametervariationen wurden dann die Abhaengigkeiten der Verluste von den beeinflussenden Groessen untersucht. Hierzu waren jeweils umfassende Stroemungsfeldmessungen in mehreren Ebenen sowie stationaere Gehaeusedruckmessungen vorzunehmen. Globale Stroemungsvisualisierungen ergaenzten die aero-/thermodynamischen Messungen. - Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zeigen deutlich die Abhaengigkeit der Durchstroemung und damit des Diffusordruckrueckgewinns von den variierten Parametern auf. Alle Daten fanden zunaechst Eingang als Randbedingungen in das numerische Stroemungsberechnungsprogramm des Industriepartners. Des Weiteren dienten sie zu dessen Validierung. Es wurden gute Uebereinstimmungen festgestellt, so dass eine hervorragende Basis fuer den Aufbau eines Designsystems vorhanden war, welches die Interaktion der Abstroemung der Niederdruck-Dampfturbine mit dem Abdampfbereich erfasst. In einer Datenbank wurden die Abstroemcharakteristiken der Endstufen zusammen gefasst. - Damit kann der wichtige Bereich Endstufe/Diffusor/Abdampfgehaeuse mit vergleichsweise geringem Aufwand berechnet werden. Dies ist zum einen entscheidend fuer den Einsatz des Rechenverfahrens im industriellen Tagesgeschaeft, zum anderen aber auch fuer die Auslegung des Abdampfbereiches von Neuanlagen. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F04B261 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung und Forschung (BMBF), Bonn (Germany)DEGerman

Intermetallische NiAl-Komponenten fuer Systeme zur umweltfreundlichen Energieumwandlung. Teilvorhaben: Hitzeschilde aus intermetallischen NiAl-Legierungen fuer stationaere Gasturbinen Abschlussbericht

Energiewandlungssysteme - hier moderne Hochleistungs-Gasturbinen - verlangen zur Steigerung von Leistung und Wirkungsgrad staendig hoeherwertige Werkstoffe, insbesondere fuer Einsatztemperaturen deutlich >1000 C. Intermetallische Legierungen auf Basis NiAl und Zusatzelemente (Cr, Ta) zum Einbau von Laves-Phasen haben hierfuer ein hohes Potential aufgrund des hohen Schmelzpunktes, der hohen thermischen Leitfaehigkeit und sehr guten Oxidations-/Korrosionsbestaendigkeit. Fuer einen moeglichen Einsatz dieser Werkstoffgruppe waren zu erarbeiten: metallkundliche Eigenschaften der pulvermetallurgisch bzw. giesstechnisch dargestellten Legierungen NiAl-Cr, NiAl-TaCr sowie deren giesstechnische Darstellbarkeit durch Erarbeitung neuer Formschalentechnologien; Erstellung kompletter Datensaetze der mechanischen, physikalischen und Korrosions-Eigenschaften; Einsatz von bauteilaehnlichen Proben in Hochtemperatur-Pruefstaenden, evtl. in aktiver Gasturbine. Zur Anwendung kam die ganze Bandbreite metallkundlicher Untersuchungsmethoden in Metallographie, Mikroanalytik, Korrosionstests, mechanischer Eigenschaften; bei den Untersuchungen des Giesserei-Institutes wurden umfangreiche Formschalen-Herstellmethoden unter Nutzung numerischer Simulation optimiert zur Herstellung von Hitzeschilden, im MPI f. Eisenforschung Duesseldorf hergestellte Komponenten in Brennpruefstaenden von Siemens Temperaturen bis zu 1400 C ausgesetzt. Bearbeitbarkeitsversuche aller Fertigungsverfahren wurden durchgefuehrt. Die ausgewaehlten Legierungen (IP 75, IP 27) erwiesen sich als prinzipiell geeignet fuer den Hochtemperatur-Einsatz; das Verhalten in Abhaengigkeit von der Zusammensetzung ist grundsaetzlich verstanden; die Darstellbarkeit von Komponenten durch optimierte Giessvorgaenge entscheidend verbessert. Fuer die wesentlichen Eigenschaften sind vollstaendige Datensaetze verfuegbar, beide Legierungstypen sind auf Eignung zur Grosskomponenten-Herstellung ueberprueft. Die vorliegende Datensammlung und die erarbeiteten Verstaendnisse untermauern die fuehrende deutsche Position in diesem Fachgebiet weltweit; die Herstellung von Brennkammer-Auskleidungen ist ermoeglicht, die Herstellung von z.B. Gasturbinen - Leitschaufeln bedarf noch ergaenzender Arbeiten. (orig.)Systems for energy conversion - here: modern gas turbines of high performance - require materials of higher values in order to improve output and rate of efficiency; especially at temperatures far >1000 C. Intermetallic alloys on NiAl-base with additional elements Cr or Ta-Cr (Laves-Phase) have a high potential because of their high melting points, thermal conductivity and very good oxidation resistance. For a possible use of this materials group, it had to be worked out: metallurgical properties of the alloys NiAl-Cr and NiAl-TaCr, made by power metallurgy or casting, and their castability by elaboration of new mold technologies; compiling of complete data sets of mechanical, physical and corrosion properties; tests of component-similar specimen (heat shields) in high temperature test rigs, if possible, in an active gas turbine. The complete bandwidth of metallurgical testing methods has been applied for metallography, microanalysis, corrosion and mechanical tests; at the Giesserei-Institut (RWTH Aachen), numerous production methods for the mold manufacture have been optimized; component-similar specimen, produced at the MPI f. Eisenforschung Duesseldorf, have been exposed to temperatures up to 1400 C in burner test rigs at Siemens. All available production and processing methods have been carried out. The selected alloys (IP 75, IP 27) proved a principal good performance for the use at high temperatures; the behaviour, in dependence of the composition, is principally understood; the producibility of components by optimized casting processes has been improved. Complete data sets are available for all important properties; both types of alloys have been tested for their ability to be used in big component production. The now existing data sets and the elaborated knowledges back up the leading German position in the field worldwide; the production of combustion chamber lining is made possible, the production of e.g. gas turbine vanes requires additional work. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F03B801 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung und Forschung, Berlin (Germany)DEGerman