Verbesserung des Druckrückgewinns in axialen Kraftwerksdiffusoren

Kurzfassung

Der Wirkungsgrad stationärer Gasturbinen wird durch Abgasdiffusoren stromab der letzten Turbinenstufe signifikant beeinflusst. Durch die Verbesserung des Druckrückgewinns in Abgasdiffusoren wird der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugung positiv beeinflusst, wodurch der CO2-Austoß verringert wird. Der Abgasdiffusor besteht aus einem Stoßdiffusor und einem annularen Strömungskanal, mit zwei Reihen von Stützstreben. Die Streben sind aus strukturmechanischen Gründen erforderlich, um die Nabe zu halten. Im Vorhaben 4.4.2 (FKZ 0327718D) wurden ausgehend von einfachen Auslegungs-kriterien zunächst Diffusoren mit vergrößertem Öffnungswinkel entwickelt. Die strukturmechanisch notwendigen Streben verringern den Strömungsquerschnitt im Diffusor, wodurch sich der Druckrückgewinn reduziert. Mittels einer gehäuseseitigen Flächenkompensation wird ein vergrößerter Öffnungswinkel realisiert und somit der Druckrückgewinn verbessert. Darüber hinaus verringerte sich die Sensitivität des Diffusors gegenüber den Betriebspunkten. Beide Aspekte führen zu einem verbesserten Druckrückgewinn über einen vergrößerten Betriebsbereich. Die Vorgehensweise bei der Diffusorauslegung sowie die resultierenden Geometrien werden detailliert beschrieben. Zusätzlich wurde der Einfluss einer passiven Strömungskontrolle mittels Wirbelgeneratoren auf die Diffusorströmung untersucht. Hierbei zeigt sich, dass die numerisch vorhergesagte positive Beeinflussung der Diffusorströmung mittels der Wirbelgeneratoren nicht gänzlich im Experiment bestätigt werden konnte. Insgesamt bieten flächenkompensierende Diffusoren einen deutlich erhöhten Druckrückgewinn von bis zu 17% und tragen somit zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Gasturbine bei.