B&B-AGEMA nutzt Siemens Digital Industries Software-Lösungen für Entwicklungsalternativen

Simulieren der Filmkühlung für optimale Ergebnisse

Der Schlüssel für die Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine liegt im Aufzeigen von Wegen, wie die Temperaturen am Brennkammerausgang und am Eingang der Hochdruckturbinenstufe erhöht werden können. Allerdings schaden hohe Betriebstemperaturen den Hochdruckkomponenten der Turbine, insbesondere den Lauf- und Leitschaufeln, da die Temperaturen am Eingang moderner Turbinenstufen höher sind als der Schmelzpunkt des Materials der Turbinenschaufeln. Um dem entgegenzuwirken, wird beim Design von Turbinenschaufeln eine Technik integriert, die Filmkühlung heißt.

Bei der Filmkühlung wird kalte Luft vom Verdichter eingeleitet, durch die internen Kanäle der Schaufeln geleitet und über kleine Bohrungen in den Schaufelwänden abgegeben. Diese Luft bildet einen dünnen, kalten Film auf der Oberfläche der Schaufeln.

Die L30A von Kawasaki Heavy Industries (KHI) ist die effizienteste Gasturbine in der 30 Megawatt-Leistungsklasse weltweit. Die L30A wurde von KHI mit Unterstützung der B&B-AGEMA GmbH (B&B-AGEMA) entwickelt, einem Ingenieurdienstleistungsunternehmen mit Sitz in Aachen, das auf die Konstruktion von energietechnischen Maschinen und Anlagen, insbesondere von Gasturbinenkomponenten, spezialisiert ist. B&B-AGEMA arbeitet bei der Simulation von 3D-Strömungen eng mit Siemens Digital Industries Software zusammen, um neue Methoden für den konjugierten Wärmeübergang (Conjugate Heat Transfer, CHT) zu entwickeln. B&B-AGEMA ist anerkannter Experte für CHT, einer CFD-Technik (Computational Fluid Dynamics) für die Vorhersage des Wärmeflusses zwischen einem Festkörper und einem über diesem oder in diesem strömenden Gas bzw. Flüssigkeit.

Die Zusammenarbeit zwischen B&B-AGEMA und KHI begann in der 1990er Jahren, als KHI bei der Anwendung von CHT-Methoden zur Verbesserung der internen Kühlung ihrer Turbinenschaufeln die Unterstützung von B&B-AGEMA suchte. B&B-AGEMA entwickelte eine neuartige Filmkühlungstechnologie, die statt herkömmlicher zylindrischer Löcher fächerartige Löcher nutzt, um die Strömung der Luftdüsen zu lenken und die Kühleffektivität zu verbessern.

Seit den 2000er Jahren nutzt B&B-AGEMA die CFD-Methoden zur Simulation der Filmkühlung. Das Unternehmen entwickelte die „Double Jet Film Cooling“- und die „Nekomimi“-Filmkühlungstechnologie. Diese entstanden durch die Erkenntnis, dass die technologischen Fortschritte eine zuverlässigere Modellierung der Wärmeströmung, der Simulation und der Entwicklungsalternativen erfordern würden. Anfangs setzten B&B-AGEMA und KHI die Software Simcenter™ STAR-CCM+™ von Siemens für die manuelle Erstellung von Entwicklungsalternativen ein – das heißt langsam und iterativ – um die Kühleffektivität an verschieden geformten Öffnungen in den Gasturbinenschaufeln zu untersuchen. Dazu zählten Formen, denen die beiden Unternehmen aufgrund des Erscheinungsbilds der Löcher den Namen „Nekomimi“ gaben, der japanischen Bezeichnung für die Ohren einer Katze.

Figure 4: Computational domain used to virtually test the cooling effectiveness of different shaped holes. The adiabatic film cooling effectiveness has been spatially averaged on the surface highlighted in red.

Die Berechnungsdomäne, die für virtuelle Tests der Kühleffektivität verschieden geformter Öffnungen verwendet wurde (Abbildung 4), besteht aus einem Haupt-Querstromkanal und einem Plenum für die Kühlmittelzufuhr, die durch die Filmkühlungsbohrung verbunden sind. Die seitlichen Wände wurden als Symmetrieebenen festgelegt, um eine Reihe von Filmkühlungsbohrungen darstellen zu können, die für Gasturbinenanwendungen typisch sind. Das Plenum dient als Kühlluftzufuhr für die Filmkühlungsbohrung. Die adiabate Filmkühleffektivität wurde auf der in Abbildung 4 rot hervorgehobenen Fläche räumlich gemittelt. Breite und Länge der Domäne sind bei allen Konfigurationen gleich; dadurch sind Vergleiche zwischen verschiedenen Kühlungsloch-Designs mit ähnlichen Kühlmittel-Massenstromraten möglich, da sie denselben Kühlluftverbrauch pro Einheitenbereich aufweisen.

Abbildung 5 zeigt, dass, bei einem konkreten Vergleich einer in etwa gleich großen Nekomimi-Öffnung und einer fächerförmigen Öffnung, die Nekomimi-Öffnung bei einer deutlich niedrigeren Massenstromrate ungefähr die gleiche Filmkühleffektivität erreicht. Beachten Sie, dass bei einer normalisierten Skala von 0-1, die üblicherweise für die Kühleffektivität verwendet wird, rot=1 (für besser) und weiß-lila=0 (für schlechter) steht.

Abbildung 6 zeigt als Ergebnis eine deutliche Steigerung von 200-300 Prozent bei den Nekomimi-Designs im Vergleich zu fächerförmigen Öffnungen – eine Technologie, die B&B-AGEMA und KHI gemeinsam patentiert haben.

Figure 5: Comparison of cooling effectiveness and mass flow rate for a Nekomimi versus fan-shaped hole.

Der Vorteil der Nekomimi-Bohrung

Die Luft, die bei der Filmkühlung von Gasturbinen verwendet wird, stammt aus dem Hochdruckkompressor der Turbine. Wird die für die Kühlung verwendete Luftmenge erhöht, sinkt gleichzeitig die Wärmeeffizienz der Turbine. Zudem hat die Filmkühlung Mischungsverluste und eine reduzierte Gesamttemperatur in der Heißgasleitung der Turbine zufolge. Dieser Ineffizienz kann entgegengewirkt werden, indem Wege gefunden werden, wie die Menge der erforderlichen Kühlluft reduziert und eine gleichmäßigere Verteilung der Körpertemperatur erreicht werden kann.

Wird Kühlluft durch eine Öffnung eingedüst, führt dies zu einem „Strahl in Querströmung“ (Jet in Cross-Flow) (Abbildung 7). Durch die Interaktion des Kühlmittelstrahls und dem Querstrom werden Sekundärströmungen generiert, einschließlich Dean-Wirbel, die zu einer verringerten Filmkühleffektivität führen können. Dieser Verschlechterung kann entgegengewirkt werden, indem ein Ausgang mit geformter statt mit runder Öffnung verwendet wird. Dies führt zu einem geringeren Impulsflussverhältnis zwischen dem Kühlmittel und dem Querstrom bei der Kühlungsöffnung (hervorgerufen durch die Strömungsverlangsamung innerhalb des Diffusorteils der geformten Öffnung) und einem Coandă-Effekt, der den Strom entlang der Wand hinter der Öffnung ermöglicht. Um die unerwünschte Vermischung zwischen dem Kühlmittel und dem Heißgas zu vermeiden, damit ein Kühlfilm auf der Oberfläche der Turbinenschaufel erhalten bleibt, führte B&B-AGEMA 1999 die DJFC-Technologie (Double Jet Film Cooling) ein.

Figure 7: Each cooling hole is a jet in cross-flow.

Die Nekomimi-Technologie

Im Jahr 2008 präsentierte B&B-AGEMA ein neuartiges Design für eine Bohrung, das vom DJFC-Konzept abgeleitet war: die Nekomimi-Technologie. Bei dieser werden zwei zylindrische Öffnungen des DJFC mit dem Design einer einzigen Öffnung kombiniert, um auf die Ineffizienz bei der Luftzufuhr zu reagieren. Dies wird erreicht, indem die Öffnungen der DJFC-Konfiguration in dieselbe Strömungsrichtung verlagert (Abbildung 9, Schritt 1), beide Öffnungen verbunden (Abbildung 9, Schritt 2) und die zwei Versorgungsöffnungen durch eine zentrale Öffnung ersetzt werden (Abbildung 9, Schritt 3).

Figure 9: Nekomimi design concept: step 1 DJFC (left); step 2 (middle); step 3 Nekomimi (right).

Automatisierte Entwicklungsalternativen der Nekomimi-Form

B&B-AGEMA und KHI entschieden sich in einem nächsten Schritt für die Automatisierung ihrer Konstruktionssuche. Dafür verwendeten sie die Software HEEDS™ von Siemens, ein leistungsstarkes Softwarepaket für Entwicklungsalternativen. Dadurch konnten sie in der gleichen Zeit, die sie vorher für eine Handvoll von Designs benötigten, Hunderte von Designs bewerten. Dabei wurde eine große Anzahl von traditionellen, fächerförmigen Lochdesigns mit den Nekomimi-förmigen Löchern methodisch verglichen.

Die Ingenieure von B&B-AGEMA und KHI arbeiteten mit Siemens zusammen, um eine automatische Suche der Designs durchzuführen und Nekomimi-Designs zu identifizieren, während kollidierende Ziele in Einklang gebracht wurden: eine niedrige Massenstromrate der Kühlmittel und eine hohe adiabate Filmkühleffektivität im Testbereich. Die Parameter zur Festlegung der Form der Nekomimi-Löcher (Abbildung 10a) wurden in 349 strömungsdynamischen Simulationen variiert und generierten eine Paretofront mit Designs, die die besten Kompromisse zwischen den beiden Zielen darstellten. Zusätzlich wurde das Design einer fächerförmigen Filmkühlungsbohrung als Referenz in über 299 Simulationen gesucht, um die Vorteile der Nekomimi-Technologie zu verdeutlichen.

Figure 10a: Nekomimi design parameters.

Ablauf der Designsuche

Die automatisierte Untersuchung von Entwicklungsalternativen erfolgte über HEEDS. Die Software NX™ von Siemens wurde für die parametrische CAD-Geometriemodellierung eingesetzt und Simcenter STAR-CCM+ für die Simulation der Strömung und der Wärmeübertragung.

HEEDS wählte für jede Simulation eine Reihe von Konstruktionsparametern aus und forderte vom CAD-Modellierer (NX) das Generieren der aktualisierten Geometrie. Anschließend importierte Simcenter STAR-CCM+ die neue Geometrie und erstellte automatisch ein passendes diskretisiertes Netz der Lösungsdomäne und simulierte die Strömung und die Wärmeübertragung. Der Anwender wurde dann auf interaktive Weise mithilfe von HEEDS über die Ergebnisse informiert.

HEEDS nutzte die Performancekennzahlen auf intelligente Weise, um eine neue Reihe von Designvariablen für die Bohrungsform auszuwählen und wiederholte den Prozess, um leistungsfähigere Designs aus einer begrenzten Anzahl von Designauswertungen zu wählen.

Die Ingenieure beeinflussten die Suche durch das Einfügen von Designs, die auf der Grundlage von Intuition bewertet werden sollten.

Figure 11: Film cooling effectiveness for all tested Nekomimi and fan-shaped film cooling hole designs

Ergebnisse der Entwicklungsalternativen

Die Ergebnisse der bestmöglichen Lochform werden anhand der Paretofront in Abbildung 11 veranschaulicht. Sie zeigt die bestmöglichen Nekomimi-Bohrungen (blaue gestrichelte Linie) und die fächerförmigen Bohrungen (rote gestrichelte Linie) im Entwicklungsraum. Diese Front zeigt, dass die Nekomimi-Technologie eine deutlich bessere, räumlich gemittelte Filmkühleffektivität für Massenstromraten von Kühlflüssigkeit zwischen 8 Gramm/Sekunde (g/s) und 17 g/s aufweist. Unter- und oberhalb dieser Grenze können beide Kühlungsloch-Konzepte vergleichbare Ergebnisse bei der Kühleffektivität erreichen.

Zudem zeigte die Analyse von zwei repräsentativen Reihen von Simulationsergebnissen (schwarze gestrichelte Linie), dass bei fächerförmigen Kühlungslöchern, wenn die Designparameter nicht sorgfältig gewählt werden, gegenläufige Wirbel die dominierenden Sekundärströmungen waren und die Kühleffektivität herabsetzten. Demgegenüber bot die Nekomimi-Form bei einer großen Bandbreite von Designparametern eine beständigere effektive Kühlleistung.

Dieser neuartige Ansatz ermöglichte es, eine Datenbank mit den besten Nekomimi-Kühlungslöchern für eine Vielzahl von Druckverhältnissen und Massenstromraten der Kühlmittel zu erstellen. Die für das Kühlungsdesign zuständigen Ingenieure können dann aus dieser Datenbank die besten Designs auswählen, um eine höhere Kühleffektivität und einen niedrigeren Kühlluftverbrauch zu erzielen (Abbildungen 11 und 12).

Figure 12: Pareto front of best Nekomimi designs as trade-off between higher film cooling effectiveness versus lower coolant mass flow