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Performance and Emissions Benefits of Cooled Ceramic Matrix Composite Vanes for High-Pressure Turbines

Wehrel, Patrick und Schöffler, Robin und Grunwitz, Clemens und Carvalho, Francisco und Plohr, Martin und Häßy, Jannik und Petersen, Anna (2023) Performance and Emissions Benefits of Cooled Ceramic Matrix Composite Vanes for High-Pressure Turbines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 145 (12). American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi: 10.1115/1.4063534. ISSN 0742-4795.

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Offizielle URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/gasturbinespower/article/145/12/121016/1168883/Performance-and-Emissions-Benefits-of-Cooled

Kurzfassung

Ceramic matrix composites (CMCs) offer great potential for developing lighter and more efficient aero-engines. Due to their high-temperature capability, CMCs are mainly used in the hot gas section in order to replace cooled metallic components and thus save cooling air. Especially CMC vanes for high-pressure turbines (HPTs) have been researched and tested in the past. A realistic design approach for cooled CMC vanes is the so-called shell and spar concept. The application of such vanes in HPTs as inlet guide vanes (IGVs) at constant rotor inlet temperature (T41) enables performance and emissions benefits which are assessed by means of a reference engine in this paper. Compared to metallic IGVs, more temperature-resistant CMC IGVs require significantly less cooling air and generate lower cooling losses. A quantitative comparison will be presented. Consequently, the redesign of the reference engine to the setting of a hybrid HPT leads to a reduction in thrust specific fuel consumption (TSFC) by 0.23% at cruise conditions. Additionally, there is potential to extract the IGV cooling air at a lower pressure level, increasing the cruise TSFC gain to 0.41%. In the course of the redesign process, the turbine inlet temperature (T4) is reduced by 50 K in order to reach the same T41 with a lower IGV coolant mass flow. Regarding emissions, this leads to a decreased production of nitrogen oxides (NOx). Hence, several NOx emissions parameters can be reduced by more than 4%.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/198611/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Performance and Emissions Benefits of Cooled Ceramic Matrix Composite Vanes for High-Pressure Turbines
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wehrel, PatrickPatrick.Wehrel (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schöffler, RobinRobin.Schoeffler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0931-9021NICHT SPEZIFIZIERT
Grunwitz, ClemensClemens.Grunwitz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4157-7415NICHT SPEZIFIZIERT
Carvalho, FranciscoFrancisco.Carvalho (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3069-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Plohr, MartinMartin.Plohr (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6165-0838NICHT SPEZIFIZIERT
Häßy, JannikJannik.Haessy (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Petersen, AnnaAnna.Petersen (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4819-4994NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:26 Oktober 2023
Erschienen in:Journal of Engineering for Gas Turbines and Power
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:145
DOI:10.1115/1.4063534
Verlag:American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ISSN:0742-4795
Status:veröffentlicht
Stichwörter:CMC, Conceptual Design, Cooling, Cooling Losses, Emissions, Hybrid Turbine, Multidimensional Modeling, NOx, Performance, SiC/SiC, Turbine
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Umweltschonender Antrieb
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CP - Umweltschonender Antrieb
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Triebwerkskonzepte und -integration
Standort: Göttingen , Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Antriebstechnik > Triebwerk
Institut für Antriebstechnik > Turbine
Hinterlegt von: Wehrel, Patrick
Hinterlegt am:31 Okt 2023 12:47
Letzte Änderung:31 Okt 2023 12:47

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