COOREFLEX-turbo 3.2.6 - Leckageverhalten und rotordynamische Charakterisierung von modernen Dichtungssystemen mit Blattdichtungen

Motivation

Dampfturbinen, Gasturbinen und Turbokompressoren sind als hochentwickelte Komponenten des Maschinenbaus im Bereich der Energieversorgung unverzichtbar. Sie kommen nicht nur in Industrieanlagen und konventionellen Kraftwerken zum Einsatz, sondern auch im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien, wie in Biomasseheizkraftwerken oder solar- und geothermischen Anlagen. Die Optimierung von Turbomaschinen ist daher immer noch Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung.

Eine attraktive Möglichkeit der Wirkungsgraderhöhung ist die Vermeidung von Leckagen, um nicht nur den Verlust von Arbeitsfluid, sondern auch die Bildung unerwünschter Sekundärströmungen zu verhindern. Am Beispiel der Dampfturbine sind interne Leckagen an Schubausgleichskolben, Wellendurchführungen und Schaufeldeckbändern für bis zu 30% der gesamten internen Verluste verantwortlich.

Aktuelle Weiterentwicklungen im Bereich Leckagereduktion betreffen vor allem flexible Dichtungselemente. So ist die Bürstendichtung, die gegenüber der klassischen Labyrinthdichtung ein deutlich überlegenes Leckageverhalten aufweist, inzwischen Stand der Technik. Neuere Konzepte wie zum Beispiel verschiedene Arten von Blattdichtungen und Fingerdichtungen (siehe Abbildungen) versprechen zusätzliche Vorteile, wie weiter verringerte Leckage und/oder höhere Standzeiten. Ihre Eigenschaften sind jedoch für den Feldeinsatz größtenteils noch nicht ausreichend charakterisiert und deshalb Gegenstand aktueller Untersuchungen. Neben dem Leckageverhalten spielen vor allem die rotordynamischen Eigenschaften eine Rolle, da Dichtungselemente stabilisierende oder destabilisierende Wirkung auf das dynamische System Turbomaschine haben können.

Beispiele für moderne Dichtungssysteme (v.l.n.r.): Blattdichtung [1], Druckaktivierte Blattdichtung [2], Berührungslose Fingerdichtung

Zusammenhang

Moderne Dichtungssysteme sind Bestandteil des AG Turbo Verbundprojekts COOREFLEX-turbo - Turbomaschinen für flexible Kraftwerke. AG Turbo ist die deutsche Plattform für vorwettbewerbliche, anwendungsorientierte Verbundforschung an Turbomaschinen durch Industrie, Forschungszentren und Hochschulen mit finanzieller Unterstützung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Das vorliegende Teilprojekt COOREFLEX-turbo 3.2.6 - Leckageverhalten und Rotordynamische Charakterisierung von modernen Dichtungssystemen mit Blattdichtungen ist eine Zusammenarbeit zwischen dem TUM Lehrstuhl für Energiesysteme und GE Power.

Ziele & Vorgehensweise

Ziel des Projekts ist die Identifizierung des vielversprechendsten Ansatzes unter den verschiedenen modernen Dichtungssystemen mit einem Schwerpunkt auf Blattdichtungen sowie dessen Charakterisierung hinsichtlich Leckageverhalten und rotordynamischen Eigenschaften.

Am Lehrstuhl stehen hierfür zwei Rotorprüfstände für die experimentelle Untersuchung von Dichtungen unter realistischen Betriebsbedingungen zur Verfügung. Der statische Versuchsstand ermöglicht die Bestimmung des Leckagemassenstroms und der Steifigkeitskoeffizienten bei unterschiedlichen Rotorexzentrizitäten. Am dynamischen Versuchsstand können die Dämpfungskoeffizienten ermittelt werden, indem das Rotorsystem mittels eines Magnetlagers und der in der Dichtung wechselwirkenden aerodynamischen Kräfte bis zur Stabilitätsgrenze angeregt wird. Beide Prüfstände erlauben die Variation verschiedener Parameter wie Drehzahl, Druckgefälle und Vordrall.

Parallel werden Ansätze zur modellbasierten Analyse der Dichtungen entwickelt, um Leckage sowie Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten auch theoretisch vorhersagen zu können. Der Schwerpunkt liegt hier auf dreidimensionalen numerischen Modellen unter Anwendung von Computational Fluid Dynamics (CFD), die mit den experimentellen Daten validiert werden.

Projektpartner: GE Power

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Clemens Griebel

 

Bildnachweise:

[1] Jahn, I.H.J.; Gillespie, D.; Cooper, P. (2013): Hydrodynamic air-riding in leaf seals. GT2013-95585. In: ASME Turbo Expo 2013. San Antonio, Texas, USA.

[2] Grondahl, C. (2005): Pressure actuated leaf seals for improved turbine shaft sealing. AIAA 2005-3985. In: 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Tucson, Arizona, USA.