Die Bedeutung von Ablagerungseffekten während Wassereinspritzung in mehrstufigen Axialverdichtern

Von:

Silvio Geist

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In stationären Gasturbinen-Kraftwerken werden Flüssigkeitstropfen in den Ansaugtrakt des Verdichters eingebracht, um die Temperatur am Eintritt und während der Verdichtung durch Verdunstung zu reduzieren, was den Verdichtungsprozess positiv beeinflusst. Durch die Tropfenträgheit lagert sich ein erheblicher Teil der Flüssigkeit auf den Schaufeln des Verdichters ab und begrenzt den Kühleffekt. Um diesen Wirkmechanismus im Verdichter zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit dreidimensionale, stationäre Strömungssimulationen an einem generischen, mehrstufigen Axialverdichter mit dem Strömungslöser Ansys CFX erstellt und durchgeführt. Die Simulationen berücksichtigen den Transfer von Masse, Impuls und Wärme zwischen den Tropfen und dem Trägergas. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der modellhaften Beschreibung des Tropfenaufpralls auf den Schaufeln und dem Wiedereintrag von Flüssigkeit an den Schaufelhinterkanten durch Desintegration in allen drei Raumdimensionen. Dazu wurde die jeweils bestehende Forschung im Kontext von Axialverdichtern aufbereitet und Ersatzmodelle in den kommerziellen Strömungslöser übertragen. Anhand der Dampfentwicklung, der Entropiezunahme und der nötigen spezifischen Verdichterarbeit wird der Einfluss von Ablagerung und Wiedereintrag auf die resultierende Veränderung der Leistungsgrößen des Verdichters bewertet. Für repräsentative Tropfengrößen aus dem Realbetrieb wird in den Simulationen mit Desintegrationsmodellierung in Kombination mit der Splashingmodellierung eine höhere Kühlwirkung als ohne die Modelle berechnet. Allerdings erhöht die Zwischenkühlung über Tropfenverdunstung die Entropiezunahme des Tropfen-Gas-Gemisches und reduziert den Prozesswirkungsgrad.