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Gasturbinenverbrennung
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.

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNOvative combustors
(SOPRANO)
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. 

TURBOmachinery REtrofits enabling FLEXible back-up capacity for the transition of the European energy system
(TURBO-REFLEX)
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Der Energiesektor trägt zwei Drittel zu den globalen CO2 Emissionen bei, ist daher entscheidend für ein in Zukunft umweltfreundliches Wachstum, um die vorgesehenen Ziele bei der Begrenzung globaler Emissionen zu erreichen. Eine substantielle Reduktion der CO2 Emissionen kann nur durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen im großen Maßstab erreicht werden, wobei insbesondere die ergiebigsten Energiequellen Wind- und Sonnenkraft eingesetzt werden. Deren intermittierendes Vorkommen bedeutet jedoch eine große Herausforderung für die Energieversorgungssystem, da die Spitzen des erneuerbaren Energieangebots mit denen der angeforderten Leistung nicht überlappen. Da bislang noch keine Speichermöglichkeiten im erforderlichen Bereich vorhanden sind, werden zusätzliche Methoden zur Sicherung der Energieversorgung notwendig sein. Die Bereitstellung von Technologien die bereits installierte Kraftwerke für eine flexiblere Betriebsweise ertüchtigen, ohne dabei zu einer Verschlechterung bezüglich Betriebsdauer, Kosten und Emissionen zu führen, ist eine Möglichkeit die Energieversorgung mit den durch höhere Anteile regenerativer Energiequellen erforderlichen Sicherungskapazitäten zu versehen und so einen stabilen und elastischen Betrieb zu garantieren, der gleichzeitig einen höheren Anteil erneuerbarer Energiequellen erlaubt.

Die Mission von TURBO-REFLEX ist daher die Entwicklung und Optimierung von Technologien für ausgewählte Komponenten von Turbomaschinen, die dafür verwendet werden können, um sowohl existierende als auch neue Kraftwerke für einen flexibleren Betrieb zu ertüchtigen. Dabei wird TURBO-REFLEX auch die Auswirkungen, die solche Technologien auf Kraftwerksebene durch den Transfer der Komponententechnologie auf Wartungs- und Betriebskosten hat, bewerten.

Die magere Verlöschgrenze ("lean blow off", LBO) ist eine entscheidende Hürde für die weitere Reduktion der möglichen Teillast, weil der Betriebsbereich durch die LBO-Grenze limitiert wird. Strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen sind mit Abblasegrenzen hinunter bis zu einer Verbrennungstemperatur von 1000°C-1200°C mit oder ohne die Verwendung von Pilotflammen vorhergesagt. 1000°C-1200°C Verbrennungstemperatur würde einen konformen Teillastbetrieb gleicher Emissionen bis zu 20%-25% bedeuten. Weitere Abblasegrenzen des Brenners sind eine Grundvoraussetzung für die Anwendung hoher Leistungsgradienten. Es wird daher erwartet, dass strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen mit besseren LBO Grenzen auch Leistungsgradienden höher als 40MW/min erlauben werden.

EBIvbt am Karlsruher Institut für Technologie wird das Abblasen von Strahlflammen mit fortschrittlichen Verbrennungsmodellen untersuchen. Diese Modelle berücksichtigen sowohl geometrische Grundparameter als auch die Auswirkung von benachbarten Pilotflammen. Dazu wird ein 3D-Simulationsmodell entwickelt und experimentell bei Bedingungen nahe der Anwendung validiert. Die Turbulenz/Chemie Interaktion ("turbulence chemistry interaction", TCI) wird auf Basis zweier verschiedener Verbrennungsmodelle berücksichtigt, wobei in beiden Modellen eine Transportgleichung einer Reaktionsfortschrittsvariablen gelöst wird. Der Unterschied beider Modelle besteht in der Quelltermmodellierung. Beim ersten Modell hängt der Quellterm vom Mischungsbruch und der Reaktionsfortschrittsvariable selbst ab. Im zweiten Modell, das auf einer Beschreibung der turbulenten Flammengeschwindigkeit beruht ("turbulent flame speed closure", TFC), hängt der Quellterm neben den lokalen Turbulenzeigenschaften von der laminaren Brenngeschwindigkeit ab. Auf diese Weise kann der Einfluss von Flammenstreckung und lokalem Wärmeverlust auf die laminare Brenngeschwindigkeit, der sich schon bei einfachen 1D-Modellrechnungen zeigt, direkt berücksichtigt werden. Durch den Vergleich der zwei Modelle mit experimentell ermittelten Daten wird gezeigt, welches Modell besser für die Wiedergabe der Abblasegrenzen geeignet ist.


Modulare Erweiterung eines Gesamtmodells zur verbesserten Vorhersage des Verbrennungsverlaufs von Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen
(CEC3H)

Die im Projekt 3H geleistete Forschungsarbeit dient der Erfüllung der Ziele des Gesamtvorhabens „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität wird entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung beeinflusst, deren Vorhersage immer noch eine Herausforderung darstellt. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können. Aus den dargestellten Notwendigkeiten und Herausforderungen definieren sich die Ziele des Teilprojektes 3H, das die Weiterentwicklung der erfolgreich geleisteten Forschungsarbeiten innerhalb des Projektes 1F der 1. Phase darstellt.
Das innerhalb des Projektes 1F entwickelte Modell für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen ist in der Lage die Wärmefreisetzung bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen unter Vorgabe der Tropfendurchmesser- und Geschwindigkeitsverteilung bei adiabater Verbrennung zu berechnen. Daraus wird ersichtlich, dass mehrere wichtige Aspekte, die für den Einsatz des Modells beim Design-Prozess entscheidend sind, noch nicht berücksichtigt werden. Der erste Aspekt betrifft die Vorgabe der Verteilung der Tropfencharakteristiken, welche in der aktuellen Programmversion aus experimentellen Daten entnommen werden müssen. Der zweite Aspekt betrifft die Nichtberücksichtigung von Wärmeverlusten, welche aber für die Vorausberechnung der Flammenstabilität und der Emissionen von essentieller Bedeutung sind. Darüber hinaus wurde das Modell nur anhand der Verbrennung von Kerosin (vorhandene institutseigene Messungen) validiert, weil die experimentellen Ergebnisse mit Diesel und Diesel/Wasser-Emulsionen noch nicht vorliegen.
An diese Fragestellungen knüpft das Teilprojekt 3H an, das es zum Ziel hat ein Tool zu entwickeln, welches beim Design einer Gasturbinenbrennkammer eingesetzt werden kann. Dabei soll einerseits der Zerstäubungsprozess durch ein empirisches Modell wiedergegeben werden und andererseits der Einfluss der Wärmeverluste auf die Wärmefreisetzungscharakteristik erfasst werden. Darüber hinaus werden weitere Teilaspekte, wie die Tropfen-Wand-Interaktion oder die Feldverteilung des Brennstoff/Wasser-Verhältnisses (BWV), die im realen Prozess eine wichtige Rolle spielen, durch geeignete Teilmodelle berücksichtigt.


Emissions Soot Model
(ESTiMatE)

Im Rahmen des EU-H2020-Projekts „Emissions Soot Model“ (ESTiMatE) soll eine Modellierungsstrategie, zur Vorhersage von Kohlenstoffpartikelemissionen (Ruß) aus dem Betrieb von Flugtriebwerken, entwickelt werden. 

Dies erfordert die Verbesserung oder Entwicklung anspruchsvoller Modelle für die betreffenden Teilprozesse und eine Validierung anhand von Referenzexperimenten, um eine zuverlässige Prognose der Rußemissionen zu gewährleisten. Ziel der Arbeiten des Teilinstituts Verbrennungstechnik im Rahmen des Projekts ist es, Datensätze unter repräsentativen Verbrennungsbedingungen zu generieren, die zur Validierung der entwickelten Modelle verwendet werden können.

Diesbezüglich werden laminare Gegenstrommodelflammen eines Kerosin-Surrogates und dessen einzelner Komponenten (z.B. Dodekan und Iso-Oktan) grundlegend untersucht, um den Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung und des Druckes (bis 8 bar) auf die Flammenstruktur und insbesondere auf die Bildung von Ruß Vorläufern [Benzol (A1), Naphthalin (A2), Pyren (A4), etc.] und Rußpartikeln zu erläutern. Die gewonnenen Daten werden erst mit bereits entwickelten Chemiemodellen verglichen und danach für die Validierung der im ESTiMatE entwickelten Modelle verwendet. In der Abbildung sind experimentelle und numerisch berechnete Konzentrationsverläufe gasförmiger Spezies in einer nicht-vorgemischten Gegenstromflamme von Iso-Oktan dargestellt.

 


Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
(MAGISTER)


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.


 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Modellierung des Verbrennungsverlaufs bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen.
(CEC_1F)

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: 

  • Erfassung der Tropfendispersion, die von den turbulenten Schwankungsbewegungen dominiert wird
  • Berechnung der Verdampfung, die von der Verdampfungscharakteristik und dem turbulenten Wärmetransport von der gasförmigen an die flüssige Phase abhängt
  • Erfassung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Wärmefreisetzung

Die realitätstreue Wiedergabe der dargestellten Teilprozesse stellen die wissenschaftlichen Teilziele des Projektes 1F dar.

  • Mit Large-Eddy-Simulation berechnete mittlere Temperatur im Nahfeld einer Airblast-Düse bei Verbrennung von Hexadekan mit und ohne Wasserbeimengung

Low Emissions Core-Engine Technologies
(LEMCOTEC)
Improvement and optimisation of PERM system (together with AVIO, UNI FI, CIAM)
  • Obtain the 65% NOx reduction at Injection System level, according to ACARE target, technology evolution of AVIO‟s PERM Injection System from NEWAC (see description)
  • Verify injection system operability at critical engine cycle points, to fulfil specific requirements like ignition and lean blow out behaviour at idle conditions and combustion instabilities control at high power.
  • Extend the performance of the PERM_EV injection system at real regional engine conditions for high OPR cycle points.
The work will be organised as follows:
  • An optimised PERM injection system (PERM_EV) will be developed and validated; baseline is the promising PERM2 IS injector, already tested at max 22 bars.
  • Define the PERM_EV and test up to 20 bars in a tubular rig by the HP rig of KIT
  • Develop an improved liner system to be coupled with the PERM_EV injector within the annular combustor configuration. Cold test will be performed by UNI FI.
  • Test in a combustor rig (CIAM) with PERM injection systems and with advanced liner cooling system.
  • Supported by detailed CFD modelling and extend the results to all the critical engine conditions.
  • Test of a second iterated and optimised injection system configuration at KIT
  • Investigate up TRL 4 the performance of a flame monitoring system, to be developed by KIT, and a plasma ignition system, to be developed by CIAM.
  • Depending on the TRL of the components, all developed technologies will be integrated in the annular combustor configuration at M24. Research investigations will continue to M48 estimating their impact on the final combustor configuration.