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.

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

• 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.

• 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.