Kurzbeschreibung
(Englisch)
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New manufacturing capabilities allow the production of very complex cooling concepts for gas turbine blades. This will allow higher firing temperature levels, far above the melting point of available materials, increasing the thermal efficiency and in the same time reduce pollutant emissions (CO2 and NOX). The project investigates experimentally and analyses such innovative geometries, providing knowledge for their optimization.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Stromerzeugung mit Gasturbinen ist ein wichtiges Instrument für die Dekarbonisierung der Stromerzeugung, da sie eine schnell disponierbare Stromquelle ist, die zur Stabilisierung des Stromnetzes genutzt werden kann, wenn die Nachfrage die Produktion übersteigt. Durch die Verbrennung von synthetischem Gas oder Wasserstoff, der mit überschüssiger erneuerbarer Energie in Zeiten geringer Nachfrage erzeugt wird, fungieren Gasturbinenanlagen als ein Teil eines Energiespeichersystems. Um den Wirkungsgrad des Gasturbinenkreislaufs zu erhöhen, muss die Verbrennungstemperatur erhöht werden; deswegen, müssen die Turbinenteile aktiv gekühlt werden, um der heißen Gastemperatur standzuhalten. Da die Kühlluft aus dem Verdichter entnommen wird, verbessert eine Reduzierung der zur Kühlung verwendeten Luftmenge auch den Wirkungsgrad der Maschine. In diesem Projekt wurden sequenzielle Impingement-Kühlkanäle experimentell evaluiert. Die sequenzielle Prallkühlung ist ein neuartiges Konzept der Turbinenschaufelkühlung, bei dem die Kühlluft zweimal zur Prallkühlung verwendet wird, bevor sie zur Filmkühlung eingesetzt wird. Ziel ist es, das Kühlpotenzial des Fluids besser auszunutzen und so die Menge des verwendeten Kühlmittels zu reduzieren oder die Verbrennungstemperatur zu erhöhen (oder eine Kombination von beidem). Mehr als 30 verschiedene Kühlkanalkonfigurationen wurden experimentell untersucht, um die besten Lösungen in Bezug auf die Wärmeübertragungseigenschaften der Strömung und die Druckverluste durch den Kanal zu ermitteln. Die Tests werden an skalierten Geometrien unter Anwendung einer Variation der transienten Flüssigkristallthermografie-Methode durchgeführt, um mit hoher räumlicher Auflösung den Wärmeübergangskoeffizienten auf der Zieloberfläche zu bestimmen. Die Druckwerte an verschiedenen Stellen entlang des Kanals wurden gemessen, um Informationen über die Druckverluste der gesamten Kühlgeometrie zu sammeln und zu ermitteln, welcher Teil des Kanals am meisten zu den Verlusten beiträgt. Die leistungsstärksten Konfigurationen wurden dann in einen analytischen Rahmen integriert, um die potenzielle Verbesserung in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch der neuartigen Kühllösungen zu bewerten. Dabei wird eine Gasturbine auf dem aktuellen Stand der Technik betrachtet und die Auswirkung der Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms bewertet. Die Lösung mit der besten Wärmeübertragung ermöglicht eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Turbine von 42.18 % auf 42.65 %. Dies entspricht einer Reduzierung des Brennstoffverbrauchs bei gleicher erzeugter Leistung um 1.11 %. Im globalen Maßstab würde diese Verbesserung die CO2-Emissionen der gasbefeuerten Anlagen um etwa 20000 Tonnen pro Jahr reduzieren. Darüber hinaus könnten ähnliche Kühlkonfigurationen im Bereich der Flugzeugantriebe mit ähnlichen Effizienzverbesserungen und CO2-Einsparungen implementiert werden.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Gas turbine power generation is an important tool for the decarbonisation of the electricity production, since it is a fast dispatchable source of electricity that can be used to stabilise the electrical grid when demand exceeds production. By burning synthetic gas or hydrogen, produced using excess renewable energy in times of low demand, gas turbine plants act as one part of an energy storage system. To increase the efficiency of the gas turbine cycle, the combustion temperature needs to be increased; the turbine parts need to be actively cooled in order to withstand the hot gas temperature. Since the cooling air is extracted from the compressor, reducing the amount of air used for cooling also improves the efficiency of the machine. In this project, the aim is to evaluate experimentally sequential impingement cooling channels. Sequential impingement cooling is a novel concept of turbine blades cooling, in which the cooling air is used two times for impingement cooling before being used for film cooling. The purpose of this is to make a better use of the cooling potential of the fluid, and thus reduce the amount of coolant used, or increase the combustion temperature (or a combination of both). More than 30 different cooling channel configurations have been experimentally evaluated to identify the best solutions in terms of heat transfer characteristics of the flow and pressure losses through the channel. Tests are carried out on scaled-up geometries using a variation of the transient liquid crystal thermography method to determine with high spatial resolution the heat transfer coefficient on the target surface, while pressure levels are measured at different points along the channel to collect information on the pressure losses of the complete cooling geometry and identify which part of the channel contributes most to the losses. The best-performing configurations are then integrated in an analytical framework to assess the potential improvement in terms of fuel consumption of the machine using the novel cooling solutions. For this, a state-of-the-art gas turbine is considered, and the effect of the reduction of the coolant massflow is evaluated. The best performing solution in terms of heat transfer allows to increase the thermal efficiency of the turbine from 42.18% to 42.65%; this represents a reduction in fuel consumption of 1.11%, for the same generating power. On a global scale, this improvement would reduce the CO2 emissions of the gas fired plants by approximately 20000 tons per year. Moreover, similar solutions could be implemented in the field of aircraft propulsion systems, with similar efficiency improvements.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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La production d'électricité par turbine à gaz est un outil important pour la décarbonisation de la production d'électricité, car il s'agit d'une source d'électricité rapidement mobilisable, qui peut être utilisée pour stabiliser le réseau électrique lorsque la demande dépasse la production. En brûlant du gaz synthétique ou de l'hydrogène, produit à partir de l'énergie renouvelable excédentaire en période de faible demande, les centrales à turbine à gaz font partie d'un système de stockage de l'énergie. Pour augmenter l'efficacité du cycle de la turbine à gaz, la température de combustion doit être augmentée ; les pièces de la turbine doivent être activement refroidies afin de résister à la température élevée du gaz. Comme l'air de refroidissement est extrait du compresseur, la réduction de la quantité d'air utilisée pour le refroidissement améliore également l'efficacité de la machine. Dans ce projet, l'objectif est d'évaluer expérimentalement les canaux séquentiels de refroidissement par jets. Le refroidissement séquentiel par jet est un nouveau concept de refroidissement des aubes de turbine, dans lequel l'air de refroidissement est utilisé deux fois pour le refroidissement par jets avant d'être utilisé pour le refroidissement par film. L'objectif est de mieux utiliser le potentiel de refroidissement du fluide, et donc de réduire la quantité de liquide de refroidissement utilisée, ou d'augmenter la température de combustion (ou une combinaison des deux). Plus de 30 différentes configurations de canaux de refroidissement ont été évaluées expérimentalement pour identifier les meilleures solutions en termes de caractéristiques de transfert de chaleur et de pertes de pression à travers le canal. Des tests sont effectués sur des géométries à échelle agrandie en utilisant une variation de la méthode de thermographie transitoire à cristaux liquides pour déterminer avec une haute résolution spatiale le coefficient de transfert de chaleur sur la surface cible, tandis que les niveaux de pression sont mesurés en différents points du canal pour recueillir des informations sur les pertes de pression de la géométrie de refroidissement complète et identifier les parties du canal qui contribuent le plus aux pertes. Les configurations les plus performantes sont ensuite intégrées dans un cadre analytique pour évaluer l'amélioration potentielle en termes de consommation de carburant d’une machine intégrant ces nouvelles solutions de refroidissement. Pour cela, une turbine à gaz de pointe est considérée, et l'effet de la réduction du débit massique du liquide de refroidissement est évalué. La solution la plus performante en termes de transfert de chaleur permet d'augmenter l'efficacité thermique de la turbine de 42.18% à 42.65% ; cela représente une réduction de la consommation de carburant de 1.11%, pour la même puissance de génération. À l'échelle mondiale, cette amélioration permettrait de réduire les émissions de CO2 des centrales à gaz d’environ 20 000 tonnes par an. En outre, des solutions similaires pourraient être mises en oeuvre dans le domaine des systèmes de propulsion des avions, avec des améliorations d'efficacité similaires.
Zugehörige Dokumente
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