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Modulated secondary air systems for enhanced off-design operation of stationary gas turbines and aero engines

Woelki, Vincent Dominik

This thesis addresses how the modulation of secondary air can improve highly flexible operation of gas turbines, with particular attention to low fuel consumption and lifetime of parts subject to high thermal stresses. The secondary air system (SAS) is vital for safe operation and appropriate part lifetimes at all contractually assured operating points. The common SAS design is defined by a largely constant geometry and, with some exceptions, without the wide use of flow modulation. This applies in particular to the turbine cooling and sealing flows which account for the largest share of secondary air. Due to the variability of both secondary air flow rates and individual requirements in the consuming stations, many operating points run at exceeded requirements which penalize the thermodynamic efficiency. This calls for a turn to more flexibility in secondary air supply in off-design. The great challenge for the dynamic adjustment of secondary air flows to actual requirements lies in the complex interactions between the SAS, all associated consuming stations and the gas turbine cycle in its entirety. To this end, a methodology is presented that enables SAS concept studies to be examined at a holistic level. This approach primarily connects numerical models for the analysis of gas turbine cycle, SAS networks, blade lifetimes and sealing against hot gas ingestion. Within this thesis, the methodology is used for conducting concept studies on various thermally stabilized, steady state operating points. This is applied for two different types of gas turbines: firstly, a stationary gas turbine for open cycle and combined cycle power plants; secondly, a turbofan for civil medium- and long-haul flight missions. The basis for the concept studies is the degree to which blade temperatures decrease at low load requirements, thus creating exploitable margins. That alone allows the reduction of cooling air for the benefit of reduced fuel consumption. Two accompanying effects limit this potential: the reduction in blade life, especially with respect to creep, and the increased risk of hot gas ingestion into the inner disk space. Based on the identified trends, different strategies are presented to develop secondary air modulation patterns for different load curves and flight missions. Fuel consumption and turbine blade creep life act as major target functions. Prevention of hot gas ingestion and avoiding the exposition to high temperature corrosion are set as optional side conditions. As a first result, open cycle applications offer the integration of secondary air modulation patterns which reduce the fuel burn by 0.3 %...0.7 % percentage points at a tolerable creep life loss of approximately 5 %. This result highly depends on the individual load curve. The overall potential increases considerably, the more the operation is dominated by low power offtake. For gas turbines in combined cycles and due to the control to relative high exhaust gas temperatures, the overall potential is comparably lower. Nevertheless, the applied approach can support the currently pursued enhancements to operation at deep part load. In a further step, the investigations on the aircraft engine also consider a partial increase in cooling air to compensate for the losses in creep life with reduced cooling air. The presented modulation patterns focus on the major supply flow of the high pressure turbine rotor which is provided via pre-swirl nozzles. Especially for long-haul applications, the reduction of secondary air during cruise flight can be profitably combined with an increase of cooling air during take-off and climb. This approach leads to numerous configurations that can reduce the accumulated mission fuel burn while simultaneously increasing the blade creep life. Further narrowing down the options by determining Pareto fronts and applying side conditions leads to an easily adaptable procedure to identify the overall best configurations. As a final result, a dynamic, mission-dependent pattern for secondary air modulation is yielding, for example, approximately -0.25 % fuel burn for a long-haul mission while maintaining the reference creep lifetime. Additional considerations include the disadvantages of the weight of additional hardware required as well as the roadmap towards a future broad establishment of flexible SAS in production applications.
Diese Arbeit widmet sich der Frage, wie eine Flexibilisierung von Sekundärluft die Wirtschaftlichkeit von Gasturbinen steigern kann. Hierbei steht insbesondere der potenzielle Zielkonflikt eines niedrigen Brennstoffverbrauchs ohne Einbuße von Lebensdauer thermisch hochbelasteter Bauteile im Vordergrund. Das Sekundärluftsystem (SAS) leistet in allen vertraglich zugesicherten Betriebspunkten einen entscheidenden Beitrag zum sicheren Betrieb der Maschine und zu ausreichenden Lebensdauern heißgasbeaufschlagter Bauteile. Das SAS ist dabei üblicherweise als weitestgehend starres System ausgelegt, in dem der Einsatz strömungsmodulierender Elemente wie z.B. Ventile auf wenige Abzapfpositionen beschränkt ist. Insbesondere die in der Turbine eingesetzte Kühl- und Dichtluft, die den mit Abstand größten Anteil der Sekundärluft einnimmt, ist typischerweise ungeregelt. Sowohl die Variabilität der geförderten Massenströme als auch die spezifischen Anforderungen in den Verbrauchern von Sekundärluft führen in vielen Betriebspunkten zu einer Übererfüllung der tatsächlichen Anforderungen. Dies ist mit potenziell vermeidbaren Verlusten im thermischen Wirkungsgrad verbunden. Die Hinwendung zu einem Design, das die Flexibilität der Sekundärluftführung steigert, erscheint daher vielversprechend. Die große Herausforderung für die dynamische Anpassung der Sekundärluftströme an den tatsächlichen Bedarf liegt in den komplexen Wechselwirkungen zwischen dem SAS, seinen Verbrauchern und dem thermodynamischen Kreisprozess in seiner Gesamtheit. Zu diesem Zweck wird eine Methodik vorgestellt, die allgemeine Konzeptstudien am SAS auf Ebene des Gesamtsystems Gasturbine ermöglicht. Die Methodik verknüpft insbesondere numerische Modelle zur Analyse von thermodynamischem Kreisprozess, SAS-Netzwerken, Schaufellebensdauern und Abdichtung gegen Heißgaseinzug. Innerhalb dieser Arbeit wird die Methodik zur Durchführung von Konzeptstudien in thermisch stabilisierten, stationären Betriebspunkten verwendet. Dies erfolgt für zwei unterschiedliche Gasturbinen: Erstens, eine stationäre Gasturbine für den Einsatz in sowohl einfachen (open cycle) als auch Kombikraftwerken (combined cycle); zweitens, ein Turbofan für zivile Mittel- und Langstreckenapplikationen. Die Grundlage für die Konzeptstudien bildet der Grad, mit dem die Schaufeltemperaturen bei niedrigen Lastanforderungen sinken und somit nutzbare Margen bilden. Dies erst erlaubt die Reduktion von Kühlluft zum Vorteil eines verminderten Brennstoffverbrauchs. Zwei begleitende Effekte begrenzen dieses Potenzial: die Verringerung der Schaufellebensdauer, insbesondere in Bezug auf Kriechen, und das erhöhte Risiko von Heißgaseinzug in den Scheibenraum. Basierend auf den hierzu ermittelten Trends werden verschiedene Strategien vorgestellt, um für verschiedene Lastkurven und Flugmissionen Muster zur Modulation von Sekundärluft zu entwickeln. Als wesentliche Zielfunktionen fungieren dabei der Brennstoffverbrauch und die Kriechlebensdauer der Turbinenlaufschaufel. Die Prävention von Heißgaseinzug und Vermeidung der Exposition zu Hochtemperaturkorrosion werden in bestimmten Betriebspunkten als zusätzliche Randbedingungen gesetzt. Die Ergebnisse enthalten verschiedene Muster, mit denen Gasturbinen in open cycle Anwendungen bei reduzierter Sekundärluft betrieben werden können. Dabei liegen die Vorteile bei einer Reduktion des Brennstoffverbrauchs im Bereich von 0,3 %...0,7 % Prozentpunkten bei einer tolerierbaren Verringerung der Kriechlebensdauer um ca. 5 %. Die Werte sind dabei stark von der Lastkurve abhängig. Dabei steigt das Gesamtpotenzial stark an, je mehr der Betrieb durch niedrige Leistungsabgabe an den Generator dominiert ist. Für Gasturbinen in Kombikraftwerken ist insbesondere wegen der Regelung der Gasturbine auf relativ hohe Abgastemperaturen das Gesamtpotenzial vergleichsweise gering. Nichtsdestotrotz kann die vorgeschlagene Technologie hier die gegenwärtig verfolgten Ertüchtigungen zum Betrieb in tiefer Teillast unterstützen. In einem weiterführenden Schritt berücksichtigen die Untersuchungen zum Flugtriebwerk auch eine partielle Erhöhung von Kühlluft, um den Einbußen in der Kriechlebensdauer bei reduzierter Kühlluft zu begegnen. Die final vorgestellten Muster zur Sekundärluftmodulation sehen dabei eine betriebspunktabhängige Flexibilisierung des Hauptversorgungsstroms des Hochdruckturbinenrotors vor, der über Vordralldüsen bereitgestellt wird. Dabei kann mit Ausnahme von Kurzstreckenapplikationen die Reduktion der Sekundärluft im Reiseflug gewinnbringend mit der Erhöhung von Kühlluft beim Start und Steigflug kombiniert werden. Dies führt zu zahlreichen Konfigurationen, mit denen der auf die Flugmission bezogene Brennstoffverbrauch gesenkt werden kann bei gleichzeitiger Erhöhung der Schaufelkriechlebensdauer. Die weitere Eingrenzung der Optionen durch die Ermittlung der Pareto-Front und Filterung über die Nebenbedingungen führen zu einem einfach adaptierbaren Verfahren, um die gesamtheitlich besten Konfigurationen zu identifizieren. Als Endergebnis wird ein dynamisches, missionsabhängiges Muster zur Sekundärluftmodulation vorgestellt, das beispielsweise für eine Langstreckenmission ca. -0,25 % Brennstoffverbrauch bei vollständigem Erhalt der Kriechlebensdauer eines unmodulierten SAS bewirkt.