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:
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.