Förderprojekte


SAWES FeAl-GuD HyFly PERMIT



Forschungsprojekt „SAWES“

Fortschrittliche SAW-Sensortechnologie für zukunftsfähige Energiesysteme unter Einbeziehung drahtloser Transponder- und Kommunikationstechnik

In Zusammenarbeit mit Forschungs- und Industriepartnern wird in dem Forschungsprojekt „SAWES“ das Ziel angestrebt, ein mobiles, drahtlos auslesbares und wärmebeständiges Temperatursensorsystem auf Basis von SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) zu entwickeln. Die SAW-Sensoren ermöglichen hierbei eine exakte Messung, ohne auf eine externe Energieversorgung angewiesen zu sein. Die kabellose Datenübertragung erlaubt zudem die Anwendung der Sensoren in schwer zugänglichen, beweglichen oder verdeckten Positionen, sowie eine vereinfachte Applikation gegenüber verkabelten Systemen. Das Einsatzgebiet der Sensoren soll sich auf den Bereich zukunftsfähiger Energieversorgungssysteme und energieeffizienter Verbraucher in Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistung erstrecken und somit einen signifikanten Beitrag zur Entwicklung und Überwachung der Systeme leisten.

Das Aufgabengebiet der B&B-AGEMA bezieht sich im Rahmen des Projektes auf die Entwicklung eines geeigneten Prüfstandes und die Durchführung von Tests. Diese sollen die Anwendung des Messsystems unter Umgebungsbedingungen prüfen, die mit einem Einsatz in Gasturbinen und Triebwerken vergleichbar sind.

Projektpartner:



Anwendungsmöglichkeiten in der Industriegasturbine:

Projektdetails:

© B&B-AGEMA 2020
Die Funktionsweise von SAW-Bauelementen beruht auf der Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen (SAW), die mittels eines Interdigitalwandlers über den inversen piezoelektrischen Effekt an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats angeregt werden. Basierend auf dieser Technologie sind bereits Sensoren und Reader auf dem Markt vorzufinden, welche sich jedoch auf einen Temperaturbereich von -55 °C bis ca. 350 °C beschränken. Durch Anwendung des relativ neuen piezoelektrischen Einkristallmaterials (CTGS) soll dieser Temperaturbereich im Rahmen des Projektes auf > 400 °C erweitert und mittels statischer und dynamischer Tests bis 900 °C respektive 600 °C erprobt werden. Im Gegensatz zu etablierten Materialien wie LiNbO3, LiTaO3 oder Quarz, lässt CTGS Betriebstemperaturen von bis zu 900 °C bei simultan höheren piezoelektrischen Koeffizienten erwarten. Der autonome Betrieb der Sensoren (ohne Stromversorgung) sowie die geringen Ansprechzeiten und das drahtloses Auslesen der Messdaten ermöglichen den Einsatz des Systems selbst an dynamischen und verdeckten Komponenten.

Ein wesentlicher Bestandteil des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines geeigneten Prüfstandes zum Test des Messsystems unter extremen Umgebungsbedingungen, vergleichbar mit einem Einsatz in Industriegasturbinen. Im Mittelpunkt steht hierbei die Applikation an rotierenden Komponenten, wie z.B. dem Austritt des Verdichterrotors, Turbinenkomponenten sowie im Bereich des Sperrluftsystems. Neben hoher Zentrifugalbeschleunigung werden die Sensoren hier hohen Temperaturen von bis zu 1000 °C ausgesetzt. Der Einsatz der Sensoren in diesen Bereichen kann dazu beitragen, Industriegasturbinen hinsichtlich ihrer Schnellstarteigenschaften, ihrer Komponentenlebensdauer sowie ihres Kühlluftverbrauches zu verbessern:
  • Schnelle An- und Abfahrvorgänge führen zu hohen Spannungen in den Komponenten und somit zu einer reduzierten Lebensdauer. Die Überwachung der Temperaturen an kritischen Komponenten, wie z.B. im Verdichter sowie am Verdichteraustritt ist somit von großer Bedeutung. In Kombination mit modernen Berechnungsverfahren können zudem Designverbesserung durchgeführt werden, welche ein schnelleres An- und Abfahren und eine flexiblere Betriebsweise ermöglichen.
  • Die Temperatur einzelner Komponenten steht im engen Zusammenhang mit ihrem Wirkungsgrad und auftretenden Alterungserscheinungen. Die ermittelten zeitabhängigen Daten der Sensoren können somit zur Langzeitüberwachung der Gasturbinen eingesetzt werden. Daraus lassen sich Ausfallwahrscheinlichkeiten der Komponenten berechnen. Dies erlaubt es, die Wartungsintervalle zu optimieren und Standzeiten zu reduzieren.
  • Eine genaue und exakte Bestimmung der Bauteiltemperatur erlaubt es, Sicherheitsfaktoren zu reduzieren, Werkstoffeigenschaften (z.B. thermische Belastbarkeit) optimal auszunutzen und somit Kühlluft einzusparen. Im Bereich des Sperrluftsystems können zudem Heißgaseinzüge sowie ein zu großer Sperrluftstrom detektiert werden. Da Kühl- und Sperrluftströme nicht am Verbrennungsprozess teilnehmen, lassen sich durch eine Reduktion höhere Maschinengesamtwirkungsgrade und geringere Emissionswerte erzielen.



Forschungsprojekt „FeAl-GuD“

Prozessentwicklung zur Herstellung von FeAl-Komponenten für Gas- und Dampf­kraft­werke; Teilprojekt: Werkstoffgerechte Komponentengestaltung

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsprojekt „FeAl-GuD“ soll in Zusammenarbeit mit den Forschungs- und Industriepartnern erstmals eine intermetallische Phase aus Eisen und Aluminium (FeAl) für die Kraftwerkstechnik verfügbar gemacht werden. Eisenaluminide gehören neben den Titanaluminiden zu den wichtigsten intermetallischen Werkstoffen mit großem Einsatzpotential als Hochtemperaturwerkstoff.

Der Fokus der B&B-AGEMA liegt auf der aerodynamischen und strukturmechanischen Auslegung von Turbinenschaufeln aus Eisenaluminid.

Projektpartner:





Anwendungsnahe Bauteile im GuD-Kraftwerk:

Projektdetails:

Gas- und Dampturbinenkraftwerke (GuD-Kraftwerke) sind ideal geeignet, die Aufgabe der Netzstabilisierung im Zuge des geplanten Ausbaus der erneuerbaren Energien in der Stromversorgung zu übernehmen. GuD-Kraftwerke zeichnen sich durch kurze An- und Abfahrzeiten, schnelle Lastwechselfähigkeit und einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aus.
In diesen Kraftwerken werden in den letzten Stufen der Gasturbine meist Nickelbasislegierungen und in den ersten Stufen der Hochdruck- und Mitteldruckdampfturbinen überwiegend hochlegierte warmfeste Stähle verwendet. Durch den Einsatz einer intermetallischen Phase aus Eisen und Aluminium (Eisenaluminid = FeAl) ergibt sich die Möglichkeit, die vorhandene Lücke hinsichtlich der Einsatztemperatur zwischen den warmfesten Stählen (Einsatztemperatur bis ca. 620 °C) und den Nickelbasislegierungen (Einsatztemperatur ab ca. 700 °C) zu schließen. Dies ermöglicht eine verbesserte thermodynamische Prozessführung in den GuD-Anlagen durch Anhebung der Gasturbinenaustrittstemperatur und korrespondierend der Frischdampftemperatur im Dampfturbinenprozess. Hierdurch kann der thermische Prozesswirkungsgrad weiter verbessert werden, wobei eine Zielgröße von 65% angestrebt wird.

Eisenaluminide zeichnen sich durch eine Reihe positiver Eigenschaften aus:
  • hohe Warmfestigkeit im Bereich 600 – 700 °C
  • sehr gute Korrosions- und Erosionsbeständigkeit
  • ca. 12 – 18 % geringere Dichte als Stahl, ca. 16 – 20 % geringere Dichte als Nickelbasislegierung
  • geringe Materialkosten
  • einfache Herstellbarkeit
  • langfristige Materialverfügbarkeit, da wenig / keine strategischen Elemente (seltene Erden) enthalten sind
  • vollständige Wiederverwendbarkeit
Die geringere Dichte und bessere Materialeigenschaften von FeAl ermöglichen gegenüber den etablierten Werkstoffen reduzierte An- und Abfahrzeiten der Gas- und Dampfturbinen, wodurch auf Grund der geringeren bewegten Massen die Einsatzflexibilität des GuD-Kraftwerks erhöht wird.
Ein weiteres Projektziel der B&B-AGEMA ist die Erhöhung des strömungstechnischen Turbinenwirkungsgrades infolge der Entwicklung von strömungsoptimierter Schaufelgeometrie mit reduzierten Spalt- und Sekundärströmungsverlusten unter Berücksichtigung der Einsatzmöglichkeiten des neuartigen Werkstoffes für die Austrittsbeschaufelung der Gasturbine und die Eintrittsbeschaufelung der Dampfturbine.
Eisenaluminide bilden nach dem Abguss während der Erstarrung eine grobe Kornstruktur aus, welche in einer geringen Duktilität und einer erhöhten Rissanfälligkeit resultiert. Aus diesem Grund soll der Gießprozess der FeAl-Verbindung verbessert werden, indem Keimbildner in die Schmelze eingebracht werden, mit dem Ziel der Einstellung eines feinkörnigen Gefüges. Dadurch soll die Rissanfälligkeit reduziert werden und die Raumtemperaturduktilität signifikant ansteigen. Schließlich wird das werkstoffmechanische Verhalten dieser neuartigen, korngefeinten FeAl-Verbindung untersucht und eine Datenbank mit den relevanten Materialeigenschaften für das nieder- und hochzyklische Ermüdungsverhalten (LCF / HCF), das thermomechanische Ermüdungsverhalten (TMF), sowie den Kriech- und Oxidationseigenschaften erstellt.



Forschungsprojekt „HyFly“

Systemuntersuchung zu verteilten hybriden Antriebssystemen für Flugzeuge

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens HyFly ist die konzeptionelle Entwicklung eines hybrid-elektrischen Antriebssystems zur Integration in Regionalflugzeuge. Dadurch soll ein signifikanter Beitrag zu dem in der europäischen Luftfahrtvision „Flightpath 2050“ definierten Ziel der Senkung von Emissionen hinsichtlich Schadstoffen und Lärm im Luftverkehr geleistet werden. Erreicht werden soll dies durch die Verwendung einer hybriden Antriebsstruktur. Der Schub soll durch Elektromotoren zur Verfügung gestellt werden. Während der relativ kurzen Startphase des Flugzeugs, in der die höchste Leistung vom System abgenommen wird, sollen die Motoren von einer Batterie gespeist werden. Während des Reiseflugs, wird die Stromversorgung von einem Reluktanzgenerator übernommen, der unmittelbar von einer Gasturbine angetrieben wird.

Die B&B-AGEMA konzentriert sich im laufenden Vorhaben auf die konzeptionelle Auslegung der Gasturbine für den Antrieb des Reluktanzgenerators sowie die Entwicklung einer Software zur Betriebsanalyse und Vorhersage des Langzeitverhaltens der GT.

Projektpartner:





Forschungskonzept:

Projektdetails:

Aufgrund der Skalierbarkeit von Elektromotoren ohne innere Wirkungsgradverluste ist es möglich, neue Flugzeugkonfigurationen zu entwerfen, deren Vortrieb von mehreren kleinen, über die Spannweite verteilten elektrischen Antriebe erzeugt wird und dadurch effizientere Flügeldesigns ermöglichen. Die dem im Rahmen dieses Vorhabens zu entwickelnden Antriebssystem sollen die verteilten, rein elektrischen Antriebe mit einer bivalenten Stromversorgung gespeist werden. Diese besteht aus einem Batteriepack und einer Gasturbine mit direktgekoppeltem Reluktanzgenerator. Dieses Antriebskonzept sieht vor, dass die hohe Leistung, die während der relativ kurzen Startphase des E-Flugzeugs benötigt wird, aus einer Bordbatterie gespeist wird. Diese wird am Boden aus regenerativen Quellen aufgeladen. Während des Reiseflugs, bei dem nur 30-40% der Startleistung erforderlich sind, werden die Antriebe des Flugzeugs allein aus einem On-Board Turbinen-Generatorsystem versorgt. Das Ziel der Reduktion von Schadstoffemissionen wird dementsprechend auf zwei Wegen erreicht: Einerseits verringert sich der Energieanteil, der für den Flugbetrieb aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden muss, um den Anteil, der durch Strom aus regenerativer Erzeugung beigesteuert werden kann. Andererseits kann die Effizienz der Gasturbine durch eine noch genauere Auslegung auf einen optimalen Betriebspunkt gesteigert und damit der Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß gesenkt werden.

Ein Schwerpunkt des geplanten Vorhabens liegt auf der konzeptionellen Entwicklung der Einheit aus hochleistungsdichtem Reluktanzgenerator und der getriebelos gekoppelten Gasturbine. Sie zeichnet sich durch erstmalige Verwendung einer geschalteten Reluktanzmaschine zur Stromerzeugung aus, die besonders bei hohen Drehzahlen sehr effizient arbeitet, was ideal zur Betriebsweise der Gasturbine passt. Die batterieelektrische Unterstützung von Start und Lastwechseln erlaubt es, die Nennleistung der Gasturbine gegenüber konventionellen Antrieben zu verringern und ihre Wartungsintervalle zu verlängern. Die erzeugte Leistung wird an E-Flugmotoren abgegeben, deren Vorentwicklung entsprechend den Anforderungen aus der Gesamtsystembetrachtung ebenfalls Gegenstand des Vorhabens ist. Mit den zu untersuchenden Systemkomponenten werden neue Flugzeug- und Antriebskonzepte realisierbar. Besonders vielversprechend ist die Aufteilung des Antriebes auf verteilte Einheiten, die z.B. je nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden können, um die Systeme jeweils im Bestpunkt betreiben zu können und so Energie zu sparen.

Durch die parallel vorzunehmende Integration der aus der Entwicklung des neuen Antriebssystems gewonnenen Modelle in die Flugzeugvorentwurfsumgebung MICADO wird es einerseits möglich, Flugzeugkonzepte mit diesem Antriebssystem zu entwerfen und hinsichtlich ihrer Betriebskosten, Performance und ökoeffizienz gegenüber bestehender Referenzflugzeuge zu bewerten. Im Projekt HyFly wird dazu eine Dornier Do228-212 untersucht. Dadurch soll es letztendlich auch gelingen, den Entwicklungserfolg nachzuweisen und insgesamt das Potenzial von hybridelektrisch angetriebenen Regionalflugzeugen nachzuweisen.



PERformance enhancement of MIcro Turbine based CHP systems

„PERMIT“

The collaborative research Project "Permit" has been performed in collaboration with Micro Turbine Technology (MTT), Leuven Air Bearings and B&B-AGEMA and has been funded within the INTERREG program.
B&B-AGEMA investigated the heat management of the turbine and bearing assembly of the micro turbine ( the "hot part" of the micro turbine) by application of the conjugate heat transfer method, a numerical method to determine the material temperature distribution with simultaneous determination of the internal fluid flow fields and their mutual interactions. Based on the complex simulation model the heat flow through several components of the turbine assembly and the influences of different flows could be evaluated and the results could be used for optimization of the heat management and thus, for performance enhancement of the turbine.

Acknowledgement: