TY - THES A1 - Holy, Felix T1 - Dynamische Simulationen und experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung einer Hochtemperatur-Carnot-Batterie T1 - Dynamic simulations and experimental investigations for the development of a high-temperature Carnot battery N2 - Die Energiewende erfordert flexible, effiziente und wirtschaftlich tragfähige Speicherlösungen, um den stetig wachsenden Anteil erneuerbarer Energien systemdienlich zu integrieren. Carnot-Batterien (CB) bieten hierfür ein vielversprechendes Konzept zur sektorenübergreifenden Speicherung elektrischer Energie in Form thermischer Energie mit anschließender Rückverstromung. Insbesondere Hochtemperatur-Carnot-Batterien (HTCB) mit Speichertemperaturen über 1.000 °C zeichnen sich durch hohe Energiedichten, ein hohes exergetisches Potenzial und eine kostengünstige Systemarchitektur aus leicht verfügbaren Speichermaterialien aus. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung, experimentellen Untersuchung und dynamischen Simulation eines solchen HTCB-Systems. Hierzu wird ein neuartiger Hochtemperaturspeicher (HTS) mit horizontaler Durchströmung und integrierter elektrischer Beladung entworfen, der Beladetemperaturen bis 1.200 °C erreicht und eine thermische Kapazität von etwa 10 MWh aufweist. Die Rückverstromung erfolgt über einen extern beheizten Gasturbinenprozess mit einer Mikrogasturbine im elektrischen Leistungsbereich von 30 kW. Unter Voraussetzung eines atmosphärisch betriebenen HTS erweist sich diese Prozessführung im stationären und thermodynamischen Vergleich zu alternativen Gasturbinenprozessen als besonders geeignet. Im experimentellen Betrieb wird eine 45-stündige Rückverstromung der zuvor im HTS gespeicherten thermischen Energie demonstriert. Dabei werden elektrische Wirkungsgrade von bis zu 16,5 % sowie Gesamtwirkungsgrade von bis zu 60,0 % unter Berücksichtigung der ausgespeisten Wärme gemessen. Im Fokus der Arbeit liegt die Entwicklung eines flexiblen und physikalisch-deterministischen Simulationsmodells der HTCB, das alle wesentlichen Komponenten auch im Off-Design abbildet. Unter anderem wird für die dynamische Modellierung des HTS und der Wärmeübertrager ein innovativer numerischer Ansatz zur Berücksichtigung der Wandtemperaturprofile entwickelt. Die Parametrisierung und der Abgleich mit umfangreichen experimentellen Messdaten ermöglichen eine Anpassung und Validierung des Gesamtmodells der HTCB. Das Ergebnis ist ein digitaler Zwilling der Versuchsanlage, der realitätsnah das dynamische Systemverhalten abbildet und als Grundlage für die Betriebs- und Designoptimierung der HTCB dient. Mit der aufgezeigten Drehzahloptimierung der Mikrogasturbine und dem entwickelten Beladungsmanagement des HTS lassen sich mit der Versuchsanlage elektrische Round-Trip Efficiencies von 14,1 % und Gesamtwirkungsgrade von 61,9 % im PV-Strom geführten Tageszyklus erzielen. Abschließend wird die Skalierung der HTCB auf industrielle Maßstäbe untersucht. Für HTS-Systeme mit einer Speicherkapazität von 140 MWh in Kombination mit einer Gasturbine im elektrischen Leistungsbereich von 1,8 MW werden eine elektrische Round-trip Efficiency von etwa 29 % und Gesamtwirkungsgrade bis 84 % prognostiziert. N2 - The energy transition requires flexible, efficient, and economically viable storage solutions to integrate the steadily growing share of renewable energy in a system-compatible manner. Carnot batteries (CB) offer a promising concept for cross-sectoral storage of electrical energy in the form of thermal energy with subsequent reconversion to electricity. In particular, high-temperature Carnot batteries (HTCB) with storage temperatures above 1000 °C are characterized by high energy density, high exergetic potential, and a cost-effective system architecture based on readily available storage materials. This work focuses on the development, experimental investigation, and dynamic simulation of such an HTCB system. A novel high-temperature thermal energy storage (HTS) with horizontal flow and integrated electrical charging is designed for this purpose. It reaches charging temperatures of up to 1200 °C and has a thermal capacity of approximately 10 MWh. The reconversion to electricity is realized via an externally heated gas turbine process using a micro gas turbine with a nominal electrical power of 30 kW. Assuming atmospheric operation of the HTS, this process configuration proves particularly suitable compared to alternative gas turbine processes in steady-state and thermodynamic analyses. In experimental operation, reconversion of the previously stored thermal energy is demonstrated for 45 hours. Electrical efficiencies of up to 16,5 % and overall efficiencies of up to 60,0 %, including the extraction of useful heat, are achieved. The core of this work is the development of a flexible and physically deterministic simulation model of the HTCB that captures all major components, including their off-design behavior. Among other contributions, an innovative numerical approach is developed to dynamically model wall temperature profiles in the HTS and heat exchangers. The model is parameterized and validated using extensive experimental data. The result is a digital twin of the pilot plant that realistically reflects the dynamic system behavior and serves as a basis for operational and design optimization. With the implemented speed optimization of the micro gas turbine and the developed charging strategy for the HTS, electrical round-trip efficiencies of 14,1 % and overall efficiencies of 61,9 % can be achieved in a PV-driven daily operation cycle. Finally, the scale-up of the HTCB system to industrial scale is analyzed. For HTS systems with a storage capacity of 140 MWh combined with a gas turbine of 1,8 MW electrical output, electrical round-trip efficiencies of approximately 29 % and overall efficiencies of up to 84 % are projected. KW - Hochtemperaturspeicher KW - Gasturbine KW - Simulation KW - Dynamik KW - Speicher KW - High temperature energy storage KW - Gas turbine KW - Dynamics KW - Simulation KW - Elektrischer Speicher KW - Hochtemperatur KW - Gasturbine KW - Simulation KW - Digitaler Zwilling KW - Optimierung Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72020 ER - TY - THES A1 - Getzlaff, Jörn T1 - Erdgas als Kraftstoff für Kfz-Verbrennungsmotoren N2 - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf grundlegende Unterschiede im Brennverfahren von Benzin- und Erdgasmotoren eingegangen. Außerdem werden verschiedene Maßnahmen dargestellt, die bei einer konsequenten Auslegung des Brennverfahrens auf den Kraftstoff Erdgas zu deutlichen Wirkungsgradvorteilen führen und somit den Nachteil der geringen Speicherdichte von Erdgas (Reichweite von Erdgasfahrzeugen) verringert. Die vorliegende Arbeit soll dem interessierten Ingenieur und Studenten des Maschinenbaus einen Überblick über die Nutzung gasförmiger Kraftstoffe für den Antrieb von Kraftfahrzeugen geben. Auf die Grundlagen der Thermodynamik und der motorischen Verbrennung wird dort näher eingegangen, wo es für das Verständnis der Zusammenhänge unabdingbar ist. Hier sei auch auf die einschlägige Literatur verwiesen. Ziel ist es zu zeigen, inwiefern sich die Brennverfahren für einen kleinvolumigen Pkw-Motor von den Großgasmotoren hinsichtlich des Nutzungsprofils unterscheiden und welche Wege zur Wirkungsgradsteigerung möglich sind. KW - Kraftfahrzeug KW - Verbrennungsmotor KW - Erdgasantrieb Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32413 ER - TY - THES A1 - Izweik, Husni Taher T1 - CFD investigations of mixture formation, flow and combustion for multi-fuel rotary engine T1 - CFD-Studie der Gemischbildung, Gasströmung und Verbrennung in einem Multifuel-Wankelmotor N2 - Powerful, smooth, compact and light combined with multi-fuel capability are the main features of the rotary engine. The Wankel engine superb power-to-weight ratio and reliability make it not only suitable for automobile application, but also particularly well suited to aircraft engine use and it can replace the reciprocating piston engine in many areas of use such as sport cars, motorcycle, boats, and small power generation units etc. Since the physics that taking place inside Wankel engine combustion chambers are exceedingly complex, a numerical CFD studies were obtained to understand the unsteady, multidimensional fluid flow and fuel-air mixing inside the combustion chamber of the Wankel rotary engine during the intake and compression cycles. The effects of the engine combustion chamber design and operating parameters on fluid flow and fuel-air mixture formation were investigated: engine velocity, direction of fuel injection into the combustion chamber, with emphasize on diesel and hydrogen injection fuels. The injector nozzle size, injected fuel velocity, the position of injector and angle of injection were also investigated. N2 - Leistungsfähigkeit, Laufruhe, Kompaktheit und mit geringem Leistungsgewicht, kombiniert mit einer guten Mehrstofffähigkeit sind die besonderen Eigenschaften eines Wankelmotors. Das hervorragende Leistungsgewicht des Wankelmotors und die Zuverlässigkeit machen den Motor nicht nur für Automobilanwendung interessant, sondern er ist auch besonders geeignet für Luftfahrtanwendungen und er kann Hubkolbenmotoren in vielen Anwendungen, wie z.B. in Sportfahrzeugen, Motorrädern, Booten und kleinen Generatorsystemen ersetzen. Da die physikalischen Vorgänge, die im Verbrennungsraum des Wankelmotors ablaufen, ausserordentlich komplex sind, wurde eine numerische CFD-Studie durchgeführt, um die instationäre, mehrdimensionale Fluidströmung und die Gemischbildung im Verbrennungsraum eines Wankelmotors im Einlass und Kompressionszyklus besser verstehen zu können. Dabei wurden der Einfluss der Form des Verbrennungsraumes und der Betriebsparameter auf die Fluidströmung und die Gemischbildung auf die Parameter Motorbelastung und Richtung der Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum unter besonderer Berücksichtigung der Besonderheiten der Diesel- und Wasserstoffverbrennung untersucht. Ebenso untersucht wurden die Einflüsse der Düsengröße des Injektors, der Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffs, der Position der Einspritzdüse und der Einspritzwinkel in den Brennraum. KW - Wankelmotor KW - Numerisches Verfahren KW - Wankelmotor KW - Multifuel KW - Verbrennungskraftmaschine KW - Wasserstoff-Einspritzung KW - Gemischbildung KW - Wankel rotary engine KW - Multi-Fuel KW - Combustion engine KW - Hydrogen injection KW - Mixture formation Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14376 ER - TY - THES A1 - Antoshkiv, Oleksiy T1 - Untersuchung der Zündung in einer neuartigen gestuften Brennkammer T1 - Investigation of ignition performance of a modern staged combustor N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Zündungseigenschaften einer neuartigen Brennkammer untersucht, wobei auch das Magerverlöschverhalten mit in Betracht gezogen wurde. Die Untersuchungen der Zündbarkeit basieren auf den Ergebnissen numerischer Simulationen und anschließenden Auswertungen in einer Zündsubroutine. Die Ergebnisse der Strömungssimulationen sind mit PIV-Messungen experimentell validiert worden, wobei die simulierten Sprayformen durch die ermittelten Mie-Aufnahmen bestätigt wurden. Hochgeschwindigkeitskamera - Aufnahmen wurden zur Validierung der berechneten minimalen Zündenergien verwendet. Die vorgenommenen Korrelationen zwischen den kalkulierten Werten der minimalen Zündenergie sowie den gemessenen AFR-Zündungsdaten eröffnen einen Weg zur Bestimmung der zu erwartenden zündbaren Gemischkonzentrationen in realen Brennkammern aufgrund der simulierten minimalen Zündenergie. Im Rahmen der Arbeit wurde weiterhin eine Parametergewichtung durchgeführt, welche als Grundlage bei der Optimierung ähnlicher Brennkammern dienen kann. N2 - The ignition performance of a modern staged combustor is investigated in this work. For the research of the ignition performance of the combustor a special ignition subroutine was developed, which based on the results of CFD-ACE simulation. The simulation results were validated by the PIV - measurements and by the laser light-sheet method. A high speed camera was used for validation of calculated ignition energy. The correlation between weak extinction and ignition performance was shown. The parameter ranking of all factors influencing ignition was carried out, which is the base for the further parameter optimization of similar combustors. KW - Triebwerk KW - Brennkammer KW - Zündung KW - Triebwerk KW - Brennkammer KW - Zündung KW - Aero engine KW - Combustor KW - Ignition Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-3739 SN - 978-966-603-540-3 N1 - Dissertation ist erschienen im Verlag Svit, Lviv ER - TY - THES A1 - Feiler, Christoph T1 - Experimentelle Untersuchung nicht-axialsymmetrisch konturierter Turbinenplattformen N2 - Bei der Auslegung moderner Turbinenleitstufen wird zur Verringerung der Sekundärströmung und der hierdurch verbesserten Rotorbeaufschlagung eine dreidimensionale und nicht-axialsymmetrische Konturierung der Leitstufenplattform im Passagenbereich erwogen. Ziel ist hierbei die Verringerung des wandnahen Querdruckgradienten in der Passage, wodurch die Ausbildung des Passagenwirbels vermindert werden soll. Die Auslegung der Plattformkontur wird hier nicht behandelt, obgleich die Grundzüge derselben exemplarisch vorgestellt werden. Da die Passagenströmung von sehr komplexer und transitioneller Natur ist, ist eine experimentelle Bestimmung der geforderten Eigenschaften und insbesondere eine Bestimmung der Änderung der Temperaturbelastung der Plattform durch die Konturierung erforderlich. Die experimentelle Bestimmung und Charakterisierung dieser durch die Konturierung bedingten Änderungen stellt den Kernpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Zu diesem Zweck wurden an einem Niedergeschwindigkeitswindkanal Versuche unter Einhaltung der Reynoldsschen Ähnlichkeit und der Wärme-Stoffanalogie durchgeführt, deren Ergebnisse umfassend dargelegt werden. Daneben wird die hierfür teilweise neu entwickelte Messtechnik vorgestellt und die Ergebnisse numerischer Berechnungen präsentiert. Die wesentlichen Merkmale der durch die Konturierung bewirkten Änderungen werden zusammenfassend dargestellt und näher erläutert. Anhand der beobachteten Änderungen werden Vorschläge für künftige Maßnahmen abgeleitet. N2 - In the design of modern Turbine Nozzle guide vanes, three-dimensional non-axisymmetrical contouring of the Nozzle guide vane plattform is being considered in order to reduce the secondary flows entering the adjacent Rotor stage. The goal is the reduction of the tangential pressure gradient close to the plattform in order to reduce the formation of the passage vortex. The design of the contour itself is not being treated, however its fundamentals are being exemplarily shown. As the Passage flow is of a very complex and transitional nature, experimental determination of the obtained effects is necessary. For this purpose, experiments have been conducted on a low-speed wind tunnel obeying Reynolds similarity and Heat-Mass transfer analogy. The obtained results are being presented in detail. Furthermore, the partly newly developed test equipment as well as the results of numerical calculations are being presented. The observations are being summarized and further explained. Based on these observations, suggestions for future steps are being derived. KW - Gasturbine KW - Turbinengitter KW - Sekundärströmung KW - Turbinenleitstufe KW - Wärme-Stoffanalogie KW - Windkanal KW - Naphtalin KW - Ammoniak-Diazoverfahren Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000922 ER - TY - THES A1 - Dückershoff, Roland T1 - Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und in Bereichen lokaler Strömungsablösung N2 - Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen sind in den ersten Stufen in hohem Maße Filmgekühlt, um den sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen zu widerstehen. Gleichzeitig gehen die Bestrebungen dahin, in der einzelnen Stufe mit einer möglichst geringen Anzahl von Turbinenschaufeln die Arbeitsumsetzung zu erhöhen. Infolge dieser Optimierung ergeben sich an der Turbinenschaufeloberfläche zunehmend Gebiete mit verzögerter Hauptströmung, welche mittels Filmkühlung zu kühlen sind. Weiterhin steigt die Gefahr der Strömungsablösung am Turbinenschaufelprofil, deren Interaktion mit der notwendigen Filmkühlung zu klären ist. Zu klären ist, inwiefern die Bauteilkühlung bei lokaler Strömungsablösung mit der Filmkühlung beherrschbar ist. Ziel dieser Arbeit ist die grundlegende Untersuchung und Bewertung der Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung und der Filmkühlung in Bereichen mit lokaler Strömungsablösung. Die Untersuchungen werden für die Filmkühlung aus einer Reihe von Kühlluftbohrungen durchgeführt. Diesbezüglich sind sie im typisch Reynoldszahlbereich der Turbinenschaufeln neuzeitiger Gasturbinen dimensioniert. Da bei der Filmkühlung durch den Kühlluftstrahl, der in die heiße Hauptströmung eintritt, eine stark anisotrope Turbulenzstruktur zu erwarten ist, werden diese grundlegenden Untersuchungen experimentell durchgeführt. Die Versuchsergebnisse können sodann zur Validierung numerischer Strömungslöser herangezogen werden, auch wenn diese die Turbulenz isotrop simulieren. Mit dem Ammoniak-Diazo-Verfahren mit Online-Kalibrierung wird ein hochauflösendes flächiges Messverfahren zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität weiterentwickelt und vorgestellt. Sehr detaillierte Untersuchungen der adiabaten Filmkühleffektivität werden zur Filmkühlung bei verzögerter Hauptströmung und bei lokaler Strömungsablösung wiedergegeben. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch umfangreiche Strömungsfelduntersuchungen mit der 2D- und 3D Laser Particle Image Velocimetry (PIV) und der Hitzdrahtanemometrie. Für die finanzielle Unterstützung zum Aufbau und zur Durchführung der Forschungstätigkeit an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus danke ich dem Land Brandenburg und der Bundesrepublik Deutschland sowie den Firmen Rolls-Royce Deutschland Ltd., MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG und Alstom Schweiz AG (ehemals ABB Kraftwerke). N2 - Turbine blades of gas turbines are currently film-cooled in the first stages in order to resist the very high turbine inlet temperatures. At the same time the efforts of development have been focused to increase the efficiency in stages with a decreasing number of blades. Due to this, the optimization results in regions with decelerated mainstream on the surface of the turbine blade. This deceleration of the flow can change the heat transfer patterns on blades that are film cooled. Furthermore, the risk of flow separation at the turbine blade profile increases. All together, it has to be clarified, how the cooling of a component can be affected by both phenomena: decelerated mainstream and areas of local flow separation using the film cooling. The purpose of this work is the fundamental investigation and evaluation of film cooling in regions with the mentioned decelerated mainstream and additionally, of film cooling in areas with local flow separation. Both investigations are done with a row of cooling air holes. Thereto they are dimensioned in the typical range of Reynolds Number with respect to the film-cooled turbine blades of current gas turbines. Since the flow field is expected to be very anisotropic as a result of the air ejection into the main flow, experimental investigations were carried out. These investigations can be used in order to validate numeric flow solver solutions, even if they are done simulating the turbulence as isotropic. For the investigations of the film cooling effectiveness a measurement technique of heat and mass transfer is used. The Ammonia-Diazo-Technique with Online-Calibration is improved. This technique is shown to be a measuring tool on surfaces with high resolution for the adiabatic film cooling effectiveness. Very detailed investigations of this effectiveness are shown in the aforementioned cases. These investigations are completed by extensive flow investigations using the 2D/3D Laser Particle Image Velocimetry (PIV) and the Hot Wire Anemometry. For the financial support regarding the setting up and the execution of the research activities at the Brandenburg University of Technology Cottbus, I thank the State of Brandenburg and the Federal Republic of Germany, as well as the companies Rolls-Royce Germany Ltd, MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG and Alstom Switzerland Ltd (former ABB Power Generation Ltd). KW - Heißgasturbine KW - Hochdruck KW - Gasturbinenschaufel KW - Filmkühlung KW - Luft- und Raumfahrttechnik KW - Verkehrstechnik KW - Gasturbine KW - Turbinenschaufel KW - Strömungsablösung Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-633 SN - 3-8322-3345-8 ER - TY - THES A1 - Ahlinder, Stefan T1 - On modelling of compact tube bundle heat exchangers as porous media for recuperated gas turbine engine applications T1 - Modellierung eines kompakten Röhrenbündelwärmetauschers als poröses Medium für rekuperative Gasturbinenanwendungen N2 - A computational tool and a methodology for steady state heat exchanger simulations of recuperated gas turbines and aero-engines have been developed. As an example a compact tube bundle heat exchanger with oval shaped tubes was chosen. The simulation tool proved to work for different layouts of the heat exchanger and for different geometrical configurations of the gas turbine engine exhaust ducts. The resistance tensors were tuned against both CFD-data and experimental data and the computational model was to some extent validated against experimental results. For the validation isothermal experimental data from the Laboratory of Fluid Mechanics and Turbomachinery at the Technical University of Thessaloniki was used together with hot gas channel data from MTU. The calculated and measured velocity profiles showed an acceptable agreement that in some of the cases was even very good. The calculated pressure drop deviated less than 10% for the compared cases, which must be considered to be acceptable. The calculared results for the hot gas cases showed an exaggerated heat transfer rate, most likely due to the use of a cold side heat transfer correlation for fully turbulent flow, although the Reynolds numbersindicated transitional flow. N2 - Kernpunkt der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines Computerprogramms und einer Methodologie zur Simulation stationärer Wärmetauschertriebwerke. Als Beispiel wurde ein kompakter Röhrenbündel-Wärmetauscher mit ovalem Röhrenquerschnittgewählt. Das Simulationsprogramm ist für unterschiedliche Konfigurationen von Wärmetauschern und verschiedene Abgasschachtgeometrien der Gasturbine anwendbar. Die Widerstandstensoren wurden sowohl gegen CFD-Daten als auch gegen experimentelle Daten abgeglichen und das Simulationsprogramm wurde zu einem gewissen Grad anhand experimenteller Ergebnisse validiert. Für die Validierung wurde -neben Daten eines Heißgaskanals der MTU- isothermale experimentelle Daten des Strömungsmechanik- und Turbomaschinen-Labors der Technischen Universität Thessaloniki benutzt. Die berechneten und gemessenen Geschwindigkeitsprofile stimmen gut und in einigen Fällen auch sehr gut überein. Der berechnete Druckverlust hatte eine Abweichung von weniger als 10% für die gemessenen Fälle, was hinreichend genau angesehen werden kann. Die berechneten Ergebnisse für die Heißgasströme zeigten eine erhöhte Wärmeübertragungsrate, die sehr wahrscheinlich durch die Anwendung einer Korrelation der kalten Seite für vollturbulente Strömung verursacht wird, obwohl die Reynoldszahlen transitionale Strömung nahelegen. KW - Fluggasturbine KW - Wärmeaustauscher KW - Simulation KW - Wärmetauscher KW - CFD KW - Poröses Medium KW - Rohrbündel KW - Heat exchanger KW - CFD KW - Porous medium KW - Tube bundle Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-151 SN - 3-8322-5355-6 ER -