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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines durch einen Strömungskanal strömenden Gasmassenstroms sowie einen Strömungskanal, der ausgebildet ist, dieses Verfahren auszuführen und eine Turbomaschine mit diesem Strömungskanal.
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Ein Strömungskanal ist beispielsweise als Diffusor oder Einlauf in einer Turbomaschine, wie einer Gasturbine, vorhanden. Durch den Strömungskanal strömt während des Betriebs der Turbomaschine ein Gasmassenstrom.
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Es ist zudem bekannt, mittels eines Plasma-Aktuators ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches Luft in der Umgebung des Plasma-Aktuators teilweise ionisiert. Dadurch werden geladene Luftteilchen vom elektrischen Feld beschleunigt, die dann mit langsameren Luftmolekülen interagieren und diese beschleunigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Gasmassenstrom innerhalb eines Strömungskanals gesteuert werden kann. Zudem soll ein für dieses Verfahren ausgebildeter Strömungskanal und eine Turbomaschine mit diesem Strömungskanal bereitgestellt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 sowie einem Strömungskanal nach Anspruch 4 und einer Turbomaschine nach Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines durch einen Strömungskanal einer Turbomaschine strömenden Gasmassenstroms, wird zumindest ein im Strömungskanal angeordneter Plasma-Aktuator aktiviert und dadurch der Gasmassenstrom zumindest teilweise beschleunigt. Insbesondere wird der Gasmassenstrom in dem Strömungskanal einer Gasturbine beeinflusst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft möglich, die Geschwindigkeit des Gasmassenstroms in Wandnähe des Strömungskanals der Turbomaschine zu beschleunigen. Damit kann das Risiko einer frühen Strömungsablösung verringert und eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung erzielt werden, womit der Gasmassenstrom effizienter durch den Strömungskanal geleitet wird.
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Durch die Hilfsleistung der Plasma-Aktuatoren werden vorteilhaft die Grenzen der derzeitigen Designmöglichkeiten von Strömungskanälen verschoben und die Gestaltungsmöglichkeiten erweitert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise Diffusoren kürzer ausgelegt werden als bisher. Zudem können größere Öffnungsverhältnisse realisiert und somit eine größere Druck-Rückgewinnung erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Aktivierung des Plasma-Aktuators nach einem vordefinierten Schema.
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Damit kann eine Steuerung der Aktivierung der Plasma-Aktuatoren nach einer Vorausberechnung erfolgen. Die Aktivierung der Plasma-Aktuatoren erfolgt dann abhängig von der Geometrie des Strömungskanals beim Erreichen bestimmter Kennwerte beziehungsweise bei Erreichen bestimmter Kennwertkombinationen. Diese Kennwerte können unter anderem die Rotordrehzahl, die Luftmenge, die Temperatur oder einfach die Zeit sein. Die Steuerung erfolgt bevorzugt durch eine Kontrolleinheit.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Aktivierung des Plasma-Aktuators bei einer Unterschreitung einer bestimmten Geschwindigkeit des Gasmassenstroms. Die Geschwindigkeit des Gasmassenstroms wird dafür insbesondere mittels Sensoren im Strömungskanal ermittelt.
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Damit kann auf eine Ist-Situation reagiert und Störgrößen können ausgeglichen werden. Eine Aktivierung der Plasma-Aktuatoren kann mithin situationsgerecht erfolgen.
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Der erfindungsgemäße Strömungskanal mit einer ihn begrenzenden Wandung weist erfindungsgemäß zumindest einen an der Wandung und/oder an einem in dem Strömungskanal positionierten Leitprofil angeordneten Plasma-Aktuator auf. Die Plasma-Aktuatoren sind bevorzugt mit einer Kontrolleinheit verbunden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Strömungskanal ist vorteilhaft ein Strömungskanal bereitgestellt, mit dem ein Gasmassenstrom beeinflusst werden kann. Der erfindungsgemäße Strömungskanal benötigt zur Beeinflussung keine beweglichen Teile. Er ist relativ einfach und kostengünstig herzustellen. Die einzelnen Komponenten für den erfindungsgemäßen Strömungskanal sind sehr einfach zu konzipieren. Plasma-Aktuatoren sind dünn, flexibel und lassen sich beispielsweise einfach aufkleben. Der erfindungsgemäße Strömungskanal kann in seiner axialen Länge kürzer als herkömmliche Strömungskanäle ausgelegt werden. Turbinen können somit günstiger hergestellt werden. Zudem bietet der erfindungsgemäße Strömungskanal die Möglichkeit, in bereits vorhandenen Strömungsmaschinen nachgerüstet werden zu können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungskanals weist dieser mehrere Plasma-Aktuatoren auf, die radial zu einer Rotationsachse angeordnet sind.
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Damit kann in einem bestimmten Querschnitt des Strömungskanals am gesamten Umfang die Geschwindigkeit des Gasmassenstroms in Wandnähe von den an den Wänden angeordneten Plasma-Aktuatoren beeinflusst werden. Das bietet die Möglichkeit, je nach Anforderung, Dralleffekte zu erzeugen oder einem Drall des Gasmassenstroms entgegenzuwirken. Die radial angeordneten Plasma-Aktuatoren werden dazu umlaufend aktiviert. Daneben ist erfindungsgemäß auch eine gleichzeitige Aktivierung der Plasma-Aktuatoren möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungskanals weist dieser mehrere Plasma-Aktuatoren auf, die längs des Strömungskanals angeordnet sind.
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Damit kann der Gasmassenstrom beeinflussend in seinem Lauf begleitet werden. Auf eine Stelle des fließenden Gasmassenstroms kann mehrmals eingewirkt werden. Diese Stelle passiert nacheinander die mehreren in Längsrichtung angeordneten Plasma-Aktuatoren. Insbesondere eine Kombination aus radial und längs angeordneten Plasma-Aktuatoren gewährt umfangreiche Beeinflussungsmöglichkeiten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungskanals ist der Strömungskanal ein Diffusor und die Wandung des Strömungskanals ist aus einer Gehäusekontur und einer Nabenkontur gebildet. An der Gehäusekontur und/oder an der Nabenkontur und/oder in dem Leitprofil ist der zumindest eine Plasma-Aktuator angeordnet.
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Besonders in Diffusoren kann durch die Beeinflussung des Gasmassenstroms die Effizienz von Strömungsmaschinen gesteigert werden, indem ein früher Strömungsabriss verhindert wird. Der erfindungsgemäße als Diffusor ausgelegte Strömungskanal gestattet diese Möglichkeit.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungskanals ist vorgesehen, dass der Strömungskanal ein Einlauf einer Turbine ist.
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Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungskanals als Einlauf bietet zusätzlich die Möglichkeit der Optimierung einer Strömungsmaschine. Die durch den Einlauf in die Turbine strömende Luft kann entsprechend den Anforderungen mittels der Plasma-Aktuatoren beeinflusst und damit eine effizientere, ressourcenschonende Arbeitsweise der Turbine erwirkt werden.
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In allen seinen Ausgestaltungen ist der erfindungsgemäße Strömungskanal bevorzugt in eine Turbomaschine integriert. Die Turbomaschine ist insbesondere eine Gasturbine.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Strömungskanals kommen so der Turbomaschine als Baugruppe zugute.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Turbomaschine mit einem erfindungsgemäßen Strömungskanal und
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2 die Turbomaschine mit dem Strömungskanal mit aktivierten Plasma-Aktuatoren.
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In den 1 und 2 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Turbomaschine 1 skizziert. Die Turbomaschine 1 ist insbesondere eine Gasturbine. Die hier gezeigte Turbomaschine 1 weist einen Verdichter 2 und einen Diffusor 3 auf. Der Diffusor 3 ist dabei als erfindungsgemäßer Strömungskanal 17 ausgebildet.
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Der Diffusor 3 ist hier stromabwärts des Verdichters 2 angeordnet. Erfindungsgemäß kann der Diffusor 3 auch ein Diffusor sein, welcher stromabwärts einer Turbine einer Turbomaschine 1 angeordnet ist. Zudem kann der erfindungsgemäße Strömungskanal 17 auch ein Einlauf einer Turbine der Turbomaschine 1 sein.
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Der Verdichter 2 umfasst mehrere Reihen mit Laufschaufeln 4, die an einem Rotor befestigt sind und mehrere Reihen mit Leitschaufeln 5, die an einem Gehäuse 14 befestigt sind. Die Laufschaufeln 4 drehen sich mit dem Rotor um eine Rotationsachse 15. Am in Strömungsrichtung betrachteten Ende des Verdichters 2 ist eine Reihe mit Auslaufschaufeln 6 positioniert, die insbesondere verstellbar sind.
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Die erfindungsgemäße Turbomaschine 1 weist zumindest bereichsweise den erfindungsgemäßen Strömungskanal 17 auf. Der erfindungsgemäße Strömungskanal 17 kann dabei im Diffusor 3 und/oder im Einlass der Turbine der Turbomaschine 1 positioniert sein und/oder an anderer Stelle. Während des Betriebs der Turbomaschine 1 strömt ein Gasmassenstrom 9, 10 durch den Strömungskanal 17.
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Im gezeigten Beispiel ist der erfindungsgemäße Strömungskanal 17 durch den Diffusor 3 ausgebildet. Der Diffusor 3 ist angrenzend an den Verdichter 2 stromabwärts des Verdichters 2 positioniert. Eine Wandung des Strömungskanals 17 ist hierbei durch eine Nabe 16 und das Gehäuse 14 gebildet. Im Diffusor 3 weitet sich der Querschnitt des Strömungskanals 17 stromabwärts zu einem Auslass 13 hin. Der Diffusor 3 verringert damit die Geschwindigkeit des Gasmassenstroms 9, 10.
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Stromabwärts des Diffusors 3 ist in der Turbomaschine 1 insbesondere eine hier nicht näher gezeigte Brennkammer angeordnet. Der Diffusor 3, der vom erfindungsgemäßen Strömungskanal 17 gebildet wird, kann beispielsweise ein Diffusor 3 für eine Ringbrennkammer oder für eine Silobrennkammer sein.
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Erfindungsgemäß weist der Strömungskanal 17 wenigstens einen Plasma-Aktuator 7 auf. Dieser kann an der Wandung des Strömungskanals 17 oder an einem im Strömungskanal positionierten Leitprofil 8, einem sogenannten Strut, angeordnet sein.
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In dem in den 1 und 2 illustrierten Beispiel weist der Strömungskanal 17 mehrere Plasma-Aktuatoren 7 auf. Die Wandung des Strömungskanals 17 ist hierbei durch die Nabe 16 und das Gehäuse 14 gebildet. Der Strömungskanal 17 weist in dieser Weise mithin einen ringförmigen Querschnitt auf. Die Plasma-Aktuatoren 7 können sowohl an der Nabe 16 als auch an dem Gehäuse 14 positioniert sein. Zudem können die Plasma-Aktuatoren 7 an dem zumindest einen Leitprofil 8 angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist eine Anordnung der Plasma-Aktuatoren 7 in Strömungsrichtung verlaufenden oder auch in radial verlaufenden Reihen vorgesehen. Die in Strömungsrichtung hintereinander positionierten Plasma-Aktuatoren 7 können den Gasmassenstrom 9, 10 über einen Bereich längs zur Strömungsrichtung beeinflussen. Die radial angeordneten Plasma-Aktuatoren 7 können für eine Beeinflussung eines gesamten Randbereichs des Querschnitts sorgen. Zudem ist es möglich, in dem Gasmassenstrom 9, 10 mittels der auf der Nabe 16 positionierten Plasma-Aktuatoren 7 einen zusätzlichen Drall zu erzeugen. Je nach Anwendung ist es anders herum möglich durch eine entgegengesetzt der Rotationsrichtung des Rotors nacheinander erfolgende Ansteuerung der radial angeordneten Plasma-Aktuatoren 7 einen möglichen Drall des Gasmassenstroms 9, 10 zu verringern.
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Die 1 zeigt den erfindungsgemäßen, hier als Diffusor 3 fungierenden Strömungskanal 17 in einer ersten Situation, in der die Plasma-Aktuatoren 7 nicht aktiviert sind. Die 2 zeigt den erfindungsgemäßen Strömungskanal 17 in einer zweiten Situation, in der die Plasma-Aktuatoren 7 aktiviert sind.
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Durch einen in Strömungsrichtung früheren Strömungsabriss des Gasmassenstroms 10 ergibt sich in der in 1 dargestellten ersten Situation eine herkömmliche Geschwindigkeitsverteilung 12, bei der die Geschwindigkeit zur Wand hin abnimmt. Der herkömmliche Gasmassenstrom 10 wird dadurch abgelenkt. In der 1 findet diese Ablenkung beispielhaft in Richtung des Gehäuses 14 statt. Dagegen zeigt die in der 2 dargestellte zweite Situation mit aktivierten Plasma-Aktuatoren 7 einen beeinflussten Geschwindigkeitsverlauf 11, welcher homogener ausgebildet ist und zu den Wänden hin weniger stark abnimmt. Ein daraus resultierender beeinflusster Gasmassenstrom 9 erfährt eine geringere oder keine Ablenkung. Die Richtung des Gasmassenstroms 9, 10 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den vorgegebenen Anforderungen entsprechend beeinflusst werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
