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TU Berlin

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Verbindung von Modellen mit Experimenten zur Entwicklung von industriellen Gasturbinenbrennkammern

Im Rahmen der AG Turbo beschäftigt sich die Gruppe Robuste Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz (RoboFlex) der TU Berlin mit der Weiterentwicklung von Gasturbinenbrennkammern, um diese für neue Anforderungen weiterzuentwickeln. Die ursprünglich für einen Arbeitspunkt ausgelegten Gasturbinen müssen heute im Verbund mit den erneuerbaren Energien neue Fahrweisen bewerkstelligen, um Netzschwankungen auszugleichen und Versorgungssicherheit gewährleisten zu können. So erhöht sich nicht nur die Anzahl der Start- und Stopp-Zyklen für vorhandene Kraftwerke, sondern werden die Turbinen auch immer stärker außerhalb ihres Auslegungspunktes betrieben. Aus dieser geänderten Betriebsweise ergeben sich neue Anforderungen an den Verbrennungsprozess in den Maschinen. Die Arbeit der Gruppe ist in drei Teilprojekte unterteilt, die diese Ziele mit verschiedenen Herangehensweisen bearbeiten.

Emissionsminimierung von Gasturbinen-Brennkammern durch künstliche Intelligenz und maschinelle Datenauswertung (in Kooperation mit FG Experimentelle Strömungsmechanik)

Lupe

Kontakt: Moritz Reumschüssel

In modernen Gasturbinen werden Vormischflammen zur Reduzierung von Emissionen genutzt. Diese sind anfällig für Verbrennungsinstabilitäten, was die Auslegung der Brennkammern zu einer hochkomplexen Aufgabe macht. Aktuell beruht dieser Prozess auf aufwendigen Simulationen und Experimenten. Die Auslegung für einen erweiterten Betriebsbereich ist daher entsprechend kompliziert. Ziel des Teilprojektes sind eine Beschleunigung des Designprozesses sowie die Entdeckung neuer, möglicherweise  unkonventioneller Konfigurationen und Betriebsweisen durch die Nutzung künstlicher Intelligenz.  Maschinelle Datenauswertung und die Anpassung von Modellen durch künstliche Intelligenz haben in den letzten Jahren vor allem durch immer mehr verfügbare Rechenkapazität einen Entwicklungsschub erfahren und finden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft immer mehr Anwendung. Um den Designprozess von Gasturbinenbrennkammern zu vereinfachen und sich so neuen Anforderungen schnell anpassen zu können, sollen sie genutzt werden um automatisiert experimentelle und numerische Untersuchungen durchzuführen. So sollen schnell und effizient stabile Betriebspunkte mit minimaler Schadstoffemission gefunden werden.

Entwicklung von Vorhersagemodellen zur Flammenstabilitätsanalyse

Lupe

Kontakt: Jan Beuth, Jakob von Saldern

Verbrennungsinstabilitäten entstehen durch eine Rückkopplung zwischen der Wärmefreisetzungsrate der Flamme und der Akustik in der Brennkammer. Da die Akustik der Brennkammer mit heutigen Methoden ausreichend gut modelliert werden kann, ist die wesentliche Unbekannte in der Beschreibung der Stabilität eines Verbrennungsprozesses die Interaktion zwischen der Akustik und der Wärmefreisetzungsrate, die Flammentransferfunktion. Um alle physikalischen Effekte abzubilden werden Flammentransferfunktionen typischerweise unter hohem Aufwand in Experimenten vermessen. Dazu steht im Rahmen des Teilprojektes ein entsprechend ausgerüsteter Versuchsstand mit industrieller  Brennkammergeometrie bereit. Unter Einsatz von zeitlich hochaufgelöster Messtechnik, werden sowohl akustische als auch optische Verfahren zur Bestimmung der Flammentransferfunktion eingesetzt. Ziel dieses Teilprojektes ist es, Flammentransferfunktionen turbulenter Drallflammen basierend auf linearisierten Erhaltungsgleichungen für Impuls, Masse, Energie und skalaren Transportgleichungen zu berechnen. Dieser Ansatz bietet eine vergleichsweise wenig aufwändige Alternative gegenüber den aufwändigen Experimenten. Mit den so gewonnen Flammentransferfunktionen sollen Verbrennungsinstabilitäten in Zukunft zuverlässig und mit geringem Aufwand vorhergesagt werden. Da die auf linearen Feldgleichungen basierenden Methoden auch räumliche Effekte auflösen, erhofft man sich zu dem ein tieferes Verständnis über die Interaktion zwischen der Strömung und der Flamme. Die gleichzeitige, experimentelle Erforschung des Versuchsträgers erlaubt dabei sowohl die Generierung verlässlicher Eingangsdaten für die Simulationen als auch eine stetige Validierung der Vorhersagen bezüglich Verbrennungsinstabilitäten. Darüber hinaus sollen in experimentellen Parameterstudien die zentralen Wirkmechanismen identifiziert und Einflüsse der Randbedingungen, wie beispielsweise Vormischung oder Brennstoffzusammensetzung, quantifiziert werden. Zur Optimierung der Verbrennung im Hinblick auf Stabilität und Effizienz können Iterationsschleifen in der Weiterentwicklung durch Synergieeffekte von Simulation und Experiment verkürzt werden. Die Erkenntnisse dieses Teilprojektes sollen zu einem sicheren Betrieb von Gasturbinen bei gleichzeitig geringen Schadstoffemissionen beitragen.

Lupe

Innovative Brennkammerkühlungsmethoden mittels SLM/3-D Drucktechnik (in Kooperation mit FG Thermodynamik in dynamischen Gasturbinenprozessen)

Kontakt: Martin Szeponik

Bei modernen, stationären Gasturbinen übersteigen die Verbrennungstemperaturen die Schmelztemperaturen der metallischen Heißgaskomponenten der Brennkammern. Um diese  Komponenten vor den hohen Temperaturen zu schützen, werden zum einen Keramikbeschichtungen auf der Innenseite und zum anderen Kühlluftströme auf der Außenseite eingesetzt. Die Effektivität der Luftkühlung hängt im Wesentlichen von der Strömung und somit von der eingesetzten Kühlmethode ab und beeinflusst direkt die Lebensdauer der metallischen Heißgaskomponenten. Außerdem erlaubt eine effektive Kühlung verhältnismäßig hohe Turbineneintrittstemperaturen, die wiederum für einen hohen thermischen Wirkungsgrad sorgen. Im Rahmen dieses Teilprojektes soll ein Heißgasprüfstand entwickelt werden, der es ermöglichen soll, anhand vereinfachter Geometrien, konventionelle und innovative Brennkammerkühlungsmethoden zu charakterisieren und direkt miteinander vergleichen zu können. Dies soll durch die Ermittlung von Wärmeübergangskoeffizienten, auf der Grundlage von Temperaturmessungen mit einer InfrarotKamera und Thermoelementen, erfolgen. Zu den konventionellen Methoden zählen unter anderem Prall-, Konvektions- und Effusionskühlung. Innovative Konzepte könnten beispielsweise Konfigurationen mit oszillierenden Strahlen oder komplexen, dreidimensionalen, internen Kühlkanälen im Wandaufbau beinhalten. Außerdem sollen die bestehenden Kühltechniken auch an einer realen Brennkammergeometrie experimentell charakterisiert werden. Hierzu werden Thermalfarben zum Einsatz kommen, die es ermöglichen die Verteilung der im Betrieb auftretenden, maximalen Oberflächentemperaturen zu ermitteln und damit Rückschlüsse auf die  Effektivität der eingesetzten Kühlung ziehen zu können.

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