Realgaseinflüsse auf Verlustmechanismen von ORC-Turbinen-Strömungen Influence des effets de gaz réel sur les mécanismes de perte dans des écoulements de turbines ORC

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Strehle; Professor Dr.-Ing. Stefan aus der Wiesche
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446093324

Systeme basierend auf organischen Dampfkraftprozessen (Organic Rankine Cycle ORC) weisen ein hohes Potential für die Nutzung von Abwärmeströmen und umweltfreundlichen Energiequellen auf, doch ist relativ wenig über Realgaseinflüsse auf Verluste in entsprechenden ORC-Turbinen bekannt. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades dieser Turbomaschinen kann nur mit einer besseren Kenntnis der zugrundeliegenden kompressiblen Realgasströmungen erfolgen. Die derzeit verwendeten Methoden der numerischen Strömungsmechanik (Computational fluid dynamics CFD) basieren in der Regel auf Reynolds-gemittelten Ansätzen, allerdings sind Grobstruktursimulationen (Large-eddy simulation LES) oder direkte numerische Simulationen (DNS) sehr vielversprechend für Stabilitätsbetrachtungen und vertiefte Analysen. Die Anwendung von LES und DNS-Verfahren im Turbomaschinenbau ist eine derzeit aktuelle Thematik, aber für kompressible Realgasströmungen fehlen bislang systematische Untersuchungen und Validierungen. LES-Verfahren hoher Ordnung und mit geeigneten Modellen für die wandnahen Gebiete sollen im vorliegenden Projekt im Rahmen einer kombinierten numerischen-experimentellen Untersuchung für organische Dämpfe mit Berücksichtigung von Realgaseinflüssen entwickelt werden. Für die experimentellen Untersuchungen kann hierbei ein neuer geschlossener Windkanal für organische Dämpfe eingesetzt werden. Zwei verschiedene Testkonfigurationen, nämlich die überströmte Platte (klassisches Blasius-Problem) sowie eine idealisierte Turbinengitterkonfiguration sollen verwendet werden. Neben Hitzdrahtmessungen, konventionellen und fokussierbaren Schlieren-Visualisierungen, Druckmessungen und LDA-Messungen sollen auch speziell für organische Dampfströmungen entwickelte Heißfilmsensoren eingesetzt werden. Dank der länder- und fachgebietsübergreifenden Kooperation sollen erstmalig neue Erkenntnisse hinsichtlich von Realgaseinflüssen auf das Stabilitäts- und das Transitionsverhalten sowie auf die Wechselwirkung von Stößen mit Grenzschichtströmungen gewonnen werden. Weiterhin gestattet das Vorhaben ein Verständnis von Realgaseinflüssen auf Verlustmechanismen wie sie für ORC-Turbinen relevant sind. Zusätzlich können neue, für organische Dämpfe angepasste thermische Strömungssensoren entwickelt und erprobt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr.-Ing. Paola Cinnella