Untersuchungen zum Betriebsverhalten von vielstufigen Axialverdichtern mit Wassereinspritzung

Die vorliegende Arbeit thematisiert den Nassverdichtungsprozess in Axialverdichtern von Gasturbinen mit Wassereinspritzung. Durch diese Modifikation werden Leistungsreserven aus Gasturbinenanwendungen verfügbar. Zusätzlich ergeben sich Potentiale für rekuperativ geführte, hocheffiziente und flexible Gasturbinenprozesse, die auf der Technologie der gezielten Abkühlung des Arbeitsmediums durch eine Wassereinspritzung basieren. Zielsetzung der Arbeit ist die Entwicklung eines Einspritzsystems, das sich in bestehende strömungsführende Komponenten integrieren lässt. Die Integration einer Düse in die Hinterkante einer Leitschaufel bildet den zentralen Ansatzpunkt des Systems und ermöglicht somit eine sequentielle Einspritzung von Wasser in den Verdichter. Anhand grundlegender Experimente wird zunächst die Spraycharakteristik der Zweistrahldüse als favorisiertes Düsenkonzept untersucht. Mittels laseroptischer Messmethoden (PDPA) wird die Spraycharakteristik ermittelt und mit analytischen Auslegungsansätzen verglichen. Die Messauswertungen zeigen eine Eignung der Zweistrahldüse für ein integriertes Einspritzsystem hinsichtlich generierter Tropfengröße, Durchflusskapazitäten und Fertigungsaspekten auf. Anhand von drei Demonstrator Leitschaufeln wird die reproduzierbare Herstellbarkeit mittels selektiven Laserschmelzens (SLM) und erodierten Düsenbohrungen nachgewiesen. An weiterführenden Experimenten wird die Zweiphasenströmung am Eintritt und am Austritt eines vierstufigen Axialverdichters mit einem Einspritzsystem in der Ansaugleitung während des Nassverdichtungsprozesses mittels konventioneller und PDPA-Messtechnik untersucht. Die Experimente liefern aerothermodynamische Kenndaten sowie Kenngrößen der Zweiphasenströmung für variierende Verdichterbetriebspunkte.