Motivation
Nach der Meinung vieler Experten ist eine höhere Energieeffizienz ein wichtiger Lösungsansatz um den wachsenden globalen Energiebedarf der Zukunft zu verkleinern oder zumindest in Grenzen zu halten. Viele industrielle Prozesse benötigen Arbeitsfluide auf einem hohen Druckniveau. In den meisten Fällen wird am Ende des Prozesses das Fluid über herkömmliche Drosseln gegen Umgebungsdruck entspannt. Die Druckenergie dissipiert und bleibt ungenutzt. Das IHS entwickelt eine modulare axiale Entspannungsturbine (AXENT) mit der es möglich ist die Druckenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Nutzung der rückgewonnenen Energie erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. In der Trinkwasserversorgung wird das Prinzip der Energierückgewinnung aus Arbeitsfluiden bereits seit mehreren Jahren erfolgreich angewendet.
Vorteile einer modularen axialen Entspannungsturbine
Die Hauptanforderung an eine Anlage zur Energierückgewinnung ist, dass diese keinen negativen Einfluss auf die Prozessstabilität und die Anlagensicherheit hat. Der entscheidende Vorteil der AXENT gegenüber anderer Vorrichtungen zur Energierückgewinnung ist, dass selbst im Fall eines Leistungsabwurfs, wenn die Turbine ihre Durchgangsdrehzahl erreicht, der Durchfluss durch die Maschine näherungsweise konstant bleibt. Der konstante Volumenstrom verhindert dabei einen möglichen Druckstoß, der zu Schäden an Ventilen, Dichtungen und anderen wichtigen Elementen der Anlage führen könnte. Aus diesem Grund benötigt die AXENT keinerlei Sicherheitsvorrichtungen oder Regelarmaturen.
Die AXENT ist eine modular aufgebaute zweistufige axiale Entspannungsturbine, die je nach Anwendungsfall ein- oder zweistufige ausgeführt wird. Dieser spezielle Aufbau ermöglicht den Einsatz der Turbine in einem breiten Betriebsfeld mit maximalen Fallhöhen von über 200 m. Das Diagramm in Bild 1 zeigt, dass der relative Wirkungsgrad im gesamten Betriebsbereich der Turbine über 0,965 liegt. Aus den oben genannten Vorteilen resultiert das hohe Potenzial der AXENT für den Einsatz in industriellen Prozessen zur Energierückgewinnung.
Numerische Optimierung der Turbinengeometrie
Mittels CFD-Simulationen wird das Strömungsverhalten der AXENT untersucht. Um z.B. das Kavitationsverhalten der Turbine zu optimieren, wird der Einfluss verschiedener Schaufelformen auf die Druckverteilung im Schaufelkanal analysiert. Bild 2 zeigt die Druckverteilung an einer Laufschaufel der zweiten Stufe bei einer Fallhöhe von 200 m. Im gesamten Schaufelkanal liegt der statische Druck oberhalb des Dampfdrucks von Wasser. Es tritt keine Kavitation auf. Die Simulationsergebnisse werden am IHS mit einer modular aufgebauten Modellturbine validiert.
Turbinenmodellversuche
Mit der neu entwickelten Modellturbine kann sowohl eine ein- als auch eine zweistufige Version der Entspannungsturbine in derselben Teststrecke untersucht werden. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Wellen sowie eines mehrteiligen Plexiglasgehäuses erlaubt einen schnellen Umbau von ein- auf zweistufigen Betrieb und umgekehrt. Durch Distanzscheiben auf der Welle ist der Rad- und Stufenabstand variabel. Dies ermöglicht detaillierte Untersuchungen der auftretenden Rotor-Stator Interaktionen. Die optische Zugänglichkeit über die gesamte Turbinenlänge erlaubt umfassende Kavitationsuntersuchungen.
