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| Eine Gasturbine ist eine Kraftmaschine, welche die Wärmeenergie eines heißen Gases in mechanische Energie umwandelt. Gasturbinen werden in der Technik als Antriebsaggregate, z.B. für Generatoren zur Erzeugung von elektrischem Strom (sog. stationäre Gasturbinen) in Kraftwerken oder als Antrieb für Flugzeuge eingesetzt. |
 Das Projekt wird im Rahmen von Marie Skłodowska-Curie Actions als Innovative Training Network (ITN) gefördert.
Der Luftverkehr wird in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich weiter wachsen. Saubere Verbrennungstechnologie für Flugzeugtriebwerke ist ein Schlüsselfaktor, um die Auswirkungen dieses Wachstums auf die Ökosysteme und die Gesundheit der Menschen zu verringern. Die Vision für den europäischen Luftverkehr wird durch die Ziele des Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe in the Flight Path 2050 geprägt, das strenge Vorschriften zu Schadstoffemissionen definiert. Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln die großen Motorenhersteller mager vorgemischte Brennkammern, die mit sehr hohem Druck betrieben werden. Diese Entwicklung birgt ein großes Risiko für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Motoren: Druckschwankungen in der Brennkammer, die als Thermoakustik bezeichnet werden. Die Luftfahrtindustrie erlebt derzeit die vierte industrielle Revolution: Cyberphysikalische Systeme analysieren und überwachen technische Systeme und treffen automatisierte Entscheidungen. Diese industrielle Revolution wird in Deutschland als "Industrie 4.0" und in den USA als "Industrial Internet" bezeichnet. Ein wesentlicher Treiber der vierten industriellen Revolution ist Machine Learning. Das ITN MAGISTER wird Machine Learning nutzen, um die Thermoakustik in Flugzeugtriebwerksbrennkammern vorherzusagen und zu verstehen, und die Verbrennungsforschung zu einem revolutionären neuen Ansatz in diesem Bereich hinzuführen. |
Die wissenschaftliche Hauptziel von SOPRANO ist es einen Durchbruch in den Forschungsbemühungen auf dem Feld der Rußpartikelchemie, der Partikelgrößenverteilung und deren Auswirkung in Bezug auf Strahlung bei Betriebsbedingungen, die typisch für Luftfahrtantriebe sind, zu erreichen. SOPRANO zielt darauf ab das Wissen und die Möglichkeiten experimenteller und numerischer Untersuchungen zu verbessern und so die Charakterisierung und Vorhersage von Rußemissionen unter "Low NOx" Verbrennungsbedingungen zu ermöglichen.
 Das industrielle Hauptziel von SOPRANO besteht darin die detaillierte Charaterisierung von Rußpartikeln durchzuführen, die von modernen Brennkammern bei realitätsnahem Betriebsbedingungen (z.B. bei erhöhtem Druckniveau) entstehen und so den Weg freizumachen für ein zukünftiges Design von hocheffizienten Brennkammern. Dazu ist eine genauere Bestimmung der Strahlungseigenschaften und damit der Brennkammerwandtemperaturen erforderlich.
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Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet: |
Hauptzielstellung des Projekts ist das Design und die Entwicklung eines innovativen Einspritzsystems für geringe NOx Emissionen ("Ultra Low NOx") Die Vorgehensweise ist dabei die Folgende:
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Der Auslegungsprozess für eine Triebwerksbrennkammer startet normalerweise mit der Berechnung des benötigten Volumens an. Dabei ist es wichtig Wiederzündungsbedingungen in großer Höhe zu erfüllen. Um diese Bedingen zu ermitteln werden üblicherweise Beziehungen aus empirischen Gleichungen verwendet. Dabei handelt es sich um die sogenannten „Wiederzündungs- und Beschleunigungs-„ Parameter, die die thermodynamischen Bedingungen und das Brennkammervolumen liefern. Die Wiederzündung kann nur dann gewährleistet werden, wenn diese Parameter kleiner als die vom Hersteller definierten Technologiestandards sind. Die beiden Parameter können nicht wirklich interpretiert werden, weil sie, wegen der Exponenten in deren Definitionen, keine gemeinsame Einheit haben. Dies bedeutet, dass der Wiederzündungsprozess ist bis heute noch nicht wirklich verstanden wurde. Darüber hinaus sind die neuen, mageren Brennkammern durch einen sehr großen Massenstrom in der Primärzone des Brenners charakterisiert. Demzufolge ist es fraglich, ob die obergenannte Gleichungen, die für konventionelle Brennkammern ausgelegt wurden, auch für die Mageren verwendet werden dürfen. Das Verstehen des Wiederzündungsprozesses ist erforderlich für weitere Entwicklung der Flugzeugtriebwerke, weil es die weitere Reduktion des Brennkammervolumens ermöglicht. Die Reduktion des Brennkammervolumens begünstigt sowohl die Reduktion der NOx-Emissionen durch Verringerung der Verweilzeit, als auch der CO2 Emissionen durch Reduktion der Triebwerkmasse. |
In subproject B8 direct numerical simulation (DNS) with detailed chemical reactions mechanisms and detailed transport models for species and heat are used to study premixed turbulent flame propagation under lean conditions. Also thermo-diffusive effects are included. Particular attention is directed to the effects of flame stretch, strain and curvature on the flame propagation. Performed computations are compared to experiments conducted in subprojedt A9. This project will contribute to the investigation and development of LES subgrid-scale model.
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In diesem Teilprojekt wird aufbauend
auf den Vorarbeiten im Teilprojekt B1(E) an einem Einzelbrenner und am
Gesamtsystem der modular aufgebauten Brennkammer mit multi- Brenner-Anordnung
aus Teilprojekt C6(N) die Rußbildung und –oxidation experimentell
und numerisch untersucht. Zur Anwendung kommen optische Messtechniken, die in den vergangenen Förderperioden im SFB entwickelt wurden sowie Modelle für die Rußbildung basierend auf detaillierten Mechanismen. Die Anpassung der Messtechnik 2-Farben-Zeit aufgelöste Laser Induzierte Inkandeszenz (2-Colour-TIRE-LII) für Bestimmung der Rußpartikelgrößen-verteilung und Rußdetektion in hoch turbulenter Verbrennung bei hohen Leistungen ist Hauptteil der experimentellen Untersuchungen. Diese werden durch OH*-Chemilumuneszenz- Messungen ergänzt. Die laseroptische Messmethoden werden durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nach einer thermophoretischen Probenahme unterstützt. Ein wichtiges Ziel des Projektes ist die Weiterentwicklung der Modelle im Hinblick auf die Rußstrahlung und die Entwicklung von turbulenten Schließungsansätzen. |
Nicht-stationäre Verbrennung in Verbrennungsmotoren oder
Gasturbinen ist der Schwerpunkt des SFB 606, vgl. Projekt-Cluster
"Motorische Verbrennung" und Projekt-Cluster "Brennkammer".
Moderne
Konzepte Verbrennung für Brennkammern von Gasturbinen umfassen magere
vorgemischte (LP) Verbrennung. Dieses Konzept wird so weit wie möglich in
stationären Gasturbinen angewandt, da es die Verringerung von thermischen NOX ermöglicht. Jedoch
sind LP-Brenner anfällig für
Verbrennungsinstabilitäten im niedrigen und hohen Frequenzbereich. Darüber
hinaus ist die Brennstoff-Flexibilität eine weitere Anforderung an technische
Brennkammern, da die Verwendung
von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen gewünscht wird. Zusammengefasst werden moderne Konzepte Verbrennung mit folgenden Problemen konfrontiert
Das Brennersystem wird in verschiedenen Teilprojekten des SFB 606 experimentell und numerisch mit den modernsten Techniken und Methoden untersucht, die in der Vergangenheit innerhalb des SFB 606 entwickelt wurden. Das Brennersystem ergänzt die Brennerfamilie von Systemen an anderern Forschungseinrichtungen, wie z.B. DLR Köln, IVT-DLR Stuttgart, TU-Darmstadt und RWTH-Aachen, welche für andere Betriebsbedingungen und Forschungsziele entwickelt wurden.  |
Improvement and optimisation of PERM system (together with AVIO, UNI FI, CIAM)
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Motivation/ Ziel Das Prinzip der Airblast-Zerstäubung wird in zahlreichen technischen Anwendungen wie z.B. Gasturbinen und Vergasung von Slurries eingesetzt, um den flüssigen Brennstoff in die Gasphase zu überführen. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Flüssigkeitsfilm durch die von der Luftströmung übertragene Schubspannung zur Zerstäuberkante transportiert wird. Dort reißt er ab und zerfällt in primäre Ligamente (=Flüssigkeitsfäden), die ihrerseits durch die Sekundärzerstäubung das Spray bilden. Neueste experimentelle Arbeiten [1] auf diesem Gebiet zeigen jedoch, dass ab einer Weber-Zahl von
Abbildung 1: Ligamentenabspaltung bei hohen We-Zahlen [1].
Mit den zukünftig angestrebten Prozessdrücken von bis zu 60 bar geht gleichzeitig eine Erhöhung der Dichte einher, wodurch Weber-Zahlen größer als 100 erreicht werden. Somit ist die Untersuchung des oben beschriebenen Phänomens für zukünftige Entwicklungen von großer Bedeutung. Methode In einer ersten Phase wird ein Experiment, das sich an [1] orientiert, ausgelegt und durch numerische Simulation nachvollzogen. Die numerische Simulation berechnet die zweiphasige Strömung mit der „volume of fluid“-Methode (VOF), die von Hirt und Nichols etabliert worden ist [2]. Die Phasengrenzfläche wird hier auf Basis des Volumenanteils der Fluide, die in einem Kontrollvolumen (einem Volumen des Rechengitters) enthalten sind, beschrieben. Sie unterscheidet sich somit von den sog. Oberflächenmethoden. Die Fluide auf beiden Seiten der Grenzfläche werden dazu mit einer Indikatorfunktion (γ) markiert, die den genannten Volumenanteil einer spezifizierten Phase angibt. Aus diesem Grund ist die genaue Position der Grenzfläche nicht direkt bekannt und muss zur Rekonstruktion mit speziellen Interpolationsmethoden angenähert werden. Die Bilanzgleichungen der Strömung werden für beide Phasen gelöst und können für Kontrollvolumen mit 0<γ<1 mit dem jeweiligen Volumenanteil gewichtet und einem zusätzlichen Term für Kopplung der Impulsgleichungen versehen werden. Der Volumenanteil selbst kann mit einer Transportgleichung ohne diffusiven Term beschrieben werden. An dieser Stelle tritt auch die Hauptschwierigkeit der VOF- Methode auf, da durch das Fehlen des diffusiven Terms numerische Ungenauigkeiten zu instabilem Verhalten führen kann. Im Rahmen dieses Projekts soll die VOF Simulation mit dem Softwarepaket OpenFOAM durchgeführt werden. Hier wird das Problem des Transports der Indikatorfunktion durch ein Level-Set Verfahren gelöst. [3,4] Literatur: [1] U. Bhayaraju, C. Hassa, ICLASS06-073, (Konferenzbeitrag). 2006. Surface wave propagation and breakup in planar liquid sheets of prefilming airblast atomisers. [2] C. W. Hirt, B. D. Nichols, J. Comput. Phys. 1981, 39, 201–225. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. [3] E. Olsson, G. Kreiss, J. Comput. Phys. 2005, 210, 225–246. A conservative level set method for two phase flow. [4] E. Olsson, G. Kreiss, S. Zahedi, J. Comput. Phys. 2007, 225, 785–807. A conservative level set method for two phase flow II. |
Bei dem angestrebten Konzept wird ein Brennstoffstrahl mit einem sehr hohen Impuls in einen heißen Abgasstrom eingedüst. Durch die extrem hohen Geschwindigkeiten kann die Flamme erst in einem gewissen Abstand vom Düsenaustritt stabilisieren. Bis zum Stabilisierungspunkt hat der Strahl so viel Masse angesaugt, dass die Verbrennung unter mageren Bedingungen abläuft und deswegen mit sehr niedrigen NOx-Emissionen. |
ALFA-BIRD zielt auf eine Weiterentwicklung bezüglich der Benutzung von alternativen Brennstoffen in der Luftfahrt. In der momentanen Situation steigender Ölpreise und den mit der Benutzung fossiler Brennstoffe verbundenen Auswirkungen auf den Klimawandel ist ein weiteres Wachstum des Flugverkehrs abhängig von dessen Umweltverträglichkeit. In diesem Zusammenhang ist eine in Zukunft mögliche Benutzung alternativer Brennstoffe wünschenswert, stellt aber eine große Herausforderung an die technische Realisierung dar. ALFA-BIRD führt daher eine multidisziplinäres Konsortium bestehend aus in der Luftfahrt führenden, industriellen Partnern (Antriebs- und Flugzeughersteller), Brennstoffindustrie und Forschungseinrichtungen zusammen, die ein breites Spektrum an Expertise für die Felder Biochemie und Verbrennungstechnik enbenso wie industrieller Sicherheit abdecken. Durch diese Zusammenführung von Wissen wird das Konsortium die gesammte Kette für saubere alternative Brennstoffe entwickeln, die für die Luftfahrt erforderlich ist. Die vielversprechendsten Lösungen werden während der Projektlaufzeit untersucht werden. Dies beginnt bei klassischen Brennstoffen (Planzenöle, synthetische Öle) bis zu den höchst innovativen Brennstoffen wie z. B. neue organische Moleküle.  Das Karlsruhe Institut für Technologie wird in diesem Zusammenhang ein industrielles schadstoffarmes ("low NOx") Einspritzsystem, das mit alternativen Brennstoffen und im Vergleich dazu mit Standard Jet A-1 Kerosin betrieben wird, untersuchen. Für die Anwendung alternativer Brennstoffe ist die Kenntnis der Flammenkontur, der mageren Verlöschgrenze und der zu erwartenden Emissionen durch ein System basierend auf solch einer Düse entscheidend wichtig. Die Flammenkontur ist in diesem Zusammenhang eine wichtige Größe für das Design der Brennkammergeometrie, die magere Verlöschgrenze bestimmt die Luftaufteilung des Designs und die Emissionen müssen den ICAO Standard erfüllen. |
Im Rahmen der von der Bundesregierung und der Europäischen Union angestrebten Energiewende ist der Zuwachs des Anteils an erneuerbaren Energien entscheidend. Hiermit verbunden ist allerdings eine den natürlichen Ressourcen Wind und Sonne geschuldete fluktuierende Energieerzeugung, die nicht mit dem Strombedarf korreliert. Zum Ausgleich dieser Energieerzeugungslücke werden Kraftwerke benötigt, die in einem flexiblen Lastbereich betrieben werden können. In diesem Zusammenhang nehmen Gaskraftwerke eine wichtige Rolle ein, da sie schnelle Lastanpassungen ermöglichen und Energie bei höchsten Wirkungsgraden bereitstellen. Ziel des Verbundvorhabens ist daher die Entwicklung von Verbrennungstechnologien für die klimaschonende Energieumwandlung. Die im Teilprojekt 1F geleistete Forschungsarbeit dient in diesem Zusammenhang zur Erfüllung des Teilziels „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität hängt entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung ab, deren Vorhersage noch nicht adäquat möglich ist. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können. Eine wichtige Methode die Stromerzeugung klimaschonend zu gestalten ist die Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen. Da die Erhöhung des Wirkungsgrades mit der Erhöhung des Druck und Temperaturniveaus des Prozesses zusammenhängt, kann das angestrebte Ziel nur auf Basis der Optimierung der Kühlung von den hochbelasteten Teilen erfolgen. Diese Optimierung kann nicht ohne die Kenntnis der Temperaturverteilung in der Brennkammer und am Brennkammeraustritt erfolgen, was auch das zentrale Ziel des Vorhabens ist. Die Berechnung der Temperaturverteilung bzw. der Verteilung der Wärmefreisetzung hängt von folgenden Teilprozessen ab:
Die realitätstreue Wiedergabe der dargestellten Teilprozesse stellen die wissenschaftlichen Teilziele des Projektes 1F dar.
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Theoretical and experimental investigations of a swirl stabilized flame characterize this project. As a burner an airblast atomizer in double swirl configuration has been chosen, the latter being designed and manufactured at Engler-Bunte-Institute.
The purpose of the present investigation is to destinguish the flame stability behavior in regard to the lean extinction limit and to derive flame stabilization mechanisms.
During the experimental part flame field measurements in terms of 3D velocity, temperature, concentrations have to be performed, in order to gain information about flame location and stability. A particular challenge in this project is the liquid fuel (kerosene) operated nozzle, where also kerosene spray characteristic has to be investigated. PDA (Particle Dynamics Analyses) laser measurement technique is applied for that purpose.
This experimental data will serve also to the theoretical part of the project, where the nozzle will be designed according to given aerodynamical conditions and calculations of the cold flow as well as the reacting flow will be performed. The results will aim also an explanation of the flame stability.
The advantage in this project is that theoretical and experimental research work are performed simultaneously, so better condifence in results could be gained.
 A presentation of the NEWAC project. |