Gaz santrallerindeki büyük türbinler, güvenilir bir enerji kaynağı için en güçlü makineler arasındadır. Bu teknoloji, enerji geçişinde merkezi bir rol oynamaya devam edecek. Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR) bu nedenle yeni nesil türbinleri geliştirmek için Siemens Energy ile birlikte çalışıyor.
Kısmi yükte güvenilir ve verimli çalışma ve yakıtların esnek kullanımı
Odak noktasında iki yön var. Her ikisi de enerji sistemimizin sürdürülebilir dönüşümü ile yakından bağlantılıdır. Birincisi: Enerji santrali türbinleri, kısmi yükte bile mümkün olduğunca güvenli ve verimli bir şekilde nasıl çalıştırılabilir? Yakın gelecekte, gazla çalışan elektrik santralleri, hızlı bir şekilde yükseltilebildikleri için giderek daha fazla yedek olarak hizmet verecek. Bu şekilde, yenilenebilir kaynaklardan elektrik üretimindeki kısa vadeli arızaları telafi edebilir ve pik yükleri güvenilir bir şekilde karşılayabilirler. Dolayısıyla gazla çalışan enerji santralleri, güneş ve rüzgar enerjisi gibi sürekli artan oranda yenilenebilir ve değişken kaynaklara dayalı bir enerji sisteminde istikrarlı ve güvenli bir güç kaynağına katkıda bulunur. İkinci husus: Doğal gaz yerine alternatif yakıtlar kullanıldığında gaz türbinleri nasıl davranır? Bunlar, örneğin biyogaz, sentez gazı veya neredeyse yüzde 100’lük bir karışım olarak hidrojeni içerir.
Eşsiz test türbini, DLR yüksek teknoloji test tezgahlarıyla buluşuyor
Basitçe ifade etmek gerekirse, gaz türbinleri, rotor kanatlarını hareket ettirmek için sıcak gaz karışımının iç enerjisini kullanır. Bunlar elektrik üreten bir jeneratörü çalıştırır. DLR Tahrik Teknolojisi Enstitüsü, 2016’dan bu yana bu formda benzersiz bir test türbini geliştirmek için Siemens Energy ile birlikte çalışıyor. Bu, Kasım 2020’de Göttingen’deki DLR tesisine teslim edildi ve Türbin departmanından ekip tarafından özel olarak inşa edilmiş bir test tezgahına başarıyla entegre edildi.
Türbin, enerji santrallerinde kullanılmak üzere orijinalinin yaklaşık yarısı büyüklüğünde ve 12 ton ağırlığında. DLR, dünyada bu büyüklükteki testleri gerçekçi bir şekilde yapabilen birkaç kurumdan biridir. Uygun test bench altyapısına ve gerekli bilgi birikimine sahiptir. Türbin içindeki sıcak gaz akışının transonik hızlara sahip olması önemlidir. Bunlar yaklaşık Mach bir hızları. Ancak bu şekilde merkezi teknik parametreler (benzerlik parametreleri) karşılaştırılabilir bir şekilde yeniden üretilebilir. Sağa ek olarak, yüksek hız, sıcaklık koşulları da önemlidir. Doğru değillerse, kanatlar üzerindeki soğutma etkileri anlamsızdır.
Test türbini, yaklaşık 1,5 metre uzunluğunda yaklaşık 1.000 ölçüm noktasına sahiptir. Basınçlı hava ölçüm sensörleri, sabit basınç vericileri ve optik ölçüm yöntemleri kullanılır. İkincisi, türbin içindeki akışı etkilemeden incelemek için özel lazerlerin kullanılmasını mümkün kılar. Ölçülen veriler, hangi noktada hangi sıcaklık ve basınçların geçerli olduğu, gaz akışının içeride nasıl davrandığı ve kanatların durumunun ne olduğu hakkında fikir verir. Verimliliğin, akış kayıplarının en hassas şekilde belirlenmesi, ısı gelişimi ve soğutma işlemlerinin analizi metrolojik araştırmaların bir parçasıdır.
Sınırları zorlamak: Ekonomik soğutma verimliliği artırır
DLR araştırmacıları özellikle soğutma havasının kanatların üzerine nasıl yerleştirildiği ve bu sürecin nasıl optimize edilebileceği ile ilgileniyor. Proje yöneticisi Dr. Philipp Weggler, “Çünkü türbinde ne kadar çok soğutma havasına ihtiyaç duyarsak, o kadar az verimli olur,” diyor. “İşte bu yüzden soğutma havasını mümkün olduğunca tasarruflu kullanmak istiyoruz. Bıçak, özellikle kısmi yük işletiminde aşırı ısınmamalıdır. Aksi takdirde daha çabuk yıpranır ve maliyetli onarımlarda daha erken değiştirilmesi gerekir.” Bu amaçla ekip, testlerde limitlere yaklaşıyor. Bir yandan bunların tam yükte nerede çalıştığını test ederken, diğer yandan çıktının yaklaşık yüzde 20’si kadar en düşük kısmi yükte çalışmayı da inceliyorlar. Bu çalışma noktasında, enerji santralindeki tüm bileşenler genellikle, türbinin hızlı ve esnek bir şekilde tekrar çalıştırılabileceği bir sıcaklıkta kalır.
Girdap ve türbülans: İçerideki sıcak gaz akışları nasıl davranıyor?
Bilim adamları ayrıca rotorun bireysel aşamalarının birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu öğrenmek istiyor. Deneysel türbin 2.5 kademeli bir rotora sahiptir. Her aşama bir stator ve rotordan oluşur, bu iki bileşen bir takım olarak çalışır: Stator akışı rotora saptırır ve akışın girdabı zıt sapma yoluyla rotorda (türbin) işe dönüştürülür. “Mümkün olan en iyi soğutma etkilerini ve dolayısıyla yüksek verimlilik seviyelerini elde etmek için, gaz akışlarının türbinde statorlar ve rotorlar arasında nasıl davrandığına, burada hangi girdapların ve türbülansların ortaya çıkabileceğine ve tüm bunların birbirini nasıl etkilediğine çok yakından bakıyoruz. diğer,” diye açıklıyor DLR -Araştırmacı Weggler. Birkaç kapsamlı ölçüm kampanyasının ardından ekibi, sonbahara kadar ilk kapsamlı veri setlerini oluşturmuş olmak istiyor. Daha sonra bunları bilgisayardaki simülasyonlarla karşılaştırırlar. Bu şekilde, test türbininin “dijital ikizi” sürekli olarak geliştirilebilir ve gelecekteki geliştirmeler hızlandırılabilir.
Gelecekte, biyogaz, sentez gazları veya doğal gaz-hidrojen karışımları kullanıldığında türbinin nasıl tepki verdiğini daha yakından araştırmak istiyorlar. Bu, yanma sırasında sınır koşullarını değiştirir. Bu, türbinin çalışmasını etkiler. Bu nedenle, gelecekte yanma odası ile türbin arasındaki etkileşim daha yoğun bir şekilde incelenecek ve verimlilikteki olası artışlar belirlenecektir: çünkü değerli kaynakların dikkatli kullanımı büyük önem taşımaktadır ve olmaya devam edecektir.
Kısmi yükte güvenilir ve verimli çalışma ve yakıtların esnek kullanımı
Odak noktasında iki yön var. Her ikisi de enerji sistemimizin sürdürülebilir dönüşümü ile yakından bağlantılıdır. Birincisi: Enerji santrali türbinleri, kısmi yükte bile mümkün olduğunca güvenli ve verimli bir şekilde nasıl çalıştırılabilir? Yakın gelecekte, gazla çalışan elektrik santralleri, hızlı bir şekilde yükseltilebildikleri için giderek daha fazla yedek olarak hizmet verecek. Bu şekilde, yenilenebilir kaynaklardan elektrik üretimindeki kısa vadeli arızaları telafi edebilir ve pik yükleri güvenilir bir şekilde karşılayabilirler. Dolayısıyla gazla çalışan enerji santralleri, güneş ve rüzgar enerjisi gibi sürekli artan oranda yenilenebilir ve değişken kaynaklara dayalı bir enerji sisteminde istikrarlı ve güvenli bir güç kaynağına katkıda bulunur. İkinci husus: Doğal gaz yerine alternatif yakıtlar kullanıldığında gaz türbinleri nasıl davranır? Bunlar, örneğin biyogaz, sentez gazı veya neredeyse yüzde 100’lük bir karışım olarak hidrojeni içerir.
Eşsiz test türbini, DLR yüksek teknoloji test tezgahlarıyla buluşuyor
Basitçe ifade etmek gerekirse, gaz türbinleri, rotor kanatlarını hareket ettirmek için sıcak gaz karışımının iç enerjisini kullanır. Bunlar elektrik üreten bir jeneratörü çalıştırır. DLR Tahrik Teknolojisi Enstitüsü, 2016’dan bu yana bu formda benzersiz bir test türbini geliştirmek için Siemens Energy ile birlikte çalışıyor. Bu, Kasım 2020’de Göttingen’deki DLR tesisine teslim edildi ve Türbin departmanından ekip tarafından özel olarak inşa edilmiş bir test tezgahına başarıyla entegre edildi.
Türbin, enerji santrallerinde kullanılmak üzere orijinalinin yaklaşık yarısı büyüklüğünde ve 12 ton ağırlığında. DLR, dünyada bu büyüklükteki testleri gerçekçi bir şekilde yapabilen birkaç kurumdan biridir. Uygun test bench altyapısına ve gerekli bilgi birikimine sahiptir. Türbin içindeki sıcak gaz akışının transonik hızlara sahip olması önemlidir. Bunlar yaklaşık Mach bir hızları. Ancak bu şekilde merkezi teknik parametreler (benzerlik parametreleri) karşılaştırılabilir bir şekilde yeniden üretilebilir. Sağa ek olarak, yüksek hız, sıcaklık koşulları da önemlidir. Doğru değillerse, kanatlar üzerindeki soğutma etkileri anlamsızdır.
Test türbini, yaklaşık 1,5 metre uzunluğunda yaklaşık 1.000 ölçüm noktasına sahiptir. Basınçlı hava ölçüm sensörleri, sabit basınç vericileri ve optik ölçüm yöntemleri kullanılır. İkincisi, türbin içindeki akışı etkilemeden incelemek için özel lazerlerin kullanılmasını mümkün kılar. Ölçülen veriler, hangi noktada hangi sıcaklık ve basınçların geçerli olduğu, gaz akışının içeride nasıl davrandığı ve kanatların durumunun ne olduğu hakkında fikir verir. Verimliliğin, akış kayıplarının en hassas şekilde belirlenmesi, ısı gelişimi ve soğutma işlemlerinin analizi metrolojik araştırmaların bir parçasıdır.
Sınırları zorlamak: Ekonomik soğutma verimliliği artırır
DLR araştırmacıları özellikle soğutma havasının kanatların üzerine nasıl yerleştirildiği ve bu sürecin nasıl optimize edilebileceği ile ilgileniyor. Proje yöneticisi Dr. Philipp Weggler, “Çünkü türbinde ne kadar çok soğutma havasına ihtiyaç duyarsak, o kadar az verimli olur,” diyor. “İşte bu yüzden soğutma havasını mümkün olduğunca tasarruflu kullanmak istiyoruz. Bıçak, özellikle kısmi yük işletiminde aşırı ısınmamalıdır. Aksi takdirde daha çabuk yıpranır ve maliyetli onarımlarda daha erken değiştirilmesi gerekir.” Bu amaçla ekip, testlerde limitlere yaklaşıyor. Bir yandan bunların tam yükte nerede çalıştığını test ederken, diğer yandan çıktının yaklaşık yüzde 20’si kadar en düşük kısmi yükte çalışmayı da inceliyorlar. Bu çalışma noktasında, enerji santralindeki tüm bileşenler genellikle, türbinin hızlı ve esnek bir şekilde tekrar çalıştırılabileceği bir sıcaklıkta kalır.
Girdap ve türbülans: İçerideki sıcak gaz akışları nasıl davranıyor?
Bilim adamları ayrıca rotorun bireysel aşamalarının birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu öğrenmek istiyor. Deneysel türbin 2.5 kademeli bir rotora sahiptir. Her aşama bir stator ve rotordan oluşur, bu iki bileşen bir takım olarak çalışır: Stator akışı rotora saptırır ve akışın girdabı zıt sapma yoluyla rotorda (türbin) işe dönüştürülür. “Mümkün olan en iyi soğutma etkilerini ve dolayısıyla yüksek verimlilik seviyelerini elde etmek için, gaz akışlarının türbinde statorlar ve rotorlar arasında nasıl davrandığına, burada hangi girdapların ve türbülansların ortaya çıkabileceğine ve tüm bunların birbirini nasıl etkilediğine çok yakından bakıyoruz. diğer,” diye açıklıyor DLR -Araştırmacı Weggler. Birkaç kapsamlı ölçüm kampanyasının ardından ekibi, sonbahara kadar ilk kapsamlı veri setlerini oluşturmuş olmak istiyor. Daha sonra bunları bilgisayardaki simülasyonlarla karşılaştırırlar. Bu şekilde, test türbininin “dijital ikizi” sürekli olarak geliştirilebilir ve gelecekteki geliştirmeler hızlandırılabilir.
Gelecekte, biyogaz, sentez gazları veya doğal gaz-hidrojen karışımları kullanıldığında türbinin nasıl tepki verdiğini daha yakından araştırmak istiyorlar. Bu, yanma sırasında sınır koşullarını değiştirir. Bu, türbinin çalışmasını etkiler. Bu nedenle, gelecekte yanma odası ile türbin arasındaki etkileşim daha yoğun bir şekilde incelenecek ve verimlilikteki olası artışlar belirlenecektir: çünkü değerli kaynakların dikkatli kullanımı büyük önem taşımaktadır ve olmaya devam edecektir.