Thermoakustik in industriellen Gasturbinenbrennern

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.

Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Vorhersage von thermoakustischer Stabilität von Gasturbinenbrennern. Hierfür wird die Akustik der verschiedenen Komponenten der Brennergeometrie analysiert und modelliert. Dabei werden die komplexen Bauteile typischer industrieller Brenner wie Prallkühlbleche und Drallerzeuger, sowie komplexe Phänomene wie akustische Interaktion zwischen benachbarten Brennern berücksichtigt. Eine Unbekannte in der Beschreibung der Stabilität eines Verbrennungsprozesses ist die Interaktion zwischen der Akustik und der Wärmefreisetzungsrate, die Flammentransferfunktion. Um alle physikalischen Effekte abzubilden werden Flammentransferfunktionen typischerweise unter hohem Aufwand in Experimenten vermessen. 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 und akustischen Modellen der Brennergeometrie sollen Verbrennungsinstabilitäten in Zukunft zuverlässig und mit geringem Aufwand vorhergesagt werden.

Ziel des Projektes ist ein Verfahren zu entwickeln, das Einsetzen thermoakustischer Instabilitäten vorhersagt. Die Akustik der Brennkammer wird anhand von analytischen Ansätzen mit planare Wellen beschrieben. Um einen industriellen Brenner analysieren zu können, werden für dessen komplexe Bauteile neue Modelle entwickelt. Die Flammentransferfunktion soll aus den mittleren Feldern der Strömung in der Brennkammer, der Wärmefreisetzung der Flamme, als auch der Konzentrationsverteilung bestimmt werden. Dieses Verfahren basiert auf den linearisierten Erhaltungsgleichungen für Impuls, Masse, Energie, als auch den skalaren Transportgleichungen.  Die benötigten mittleren Felder werden mittels numerischer Simulation (LES & RANS) bestimmt. Das Modell liefert die Flammentransferfunktion, die aktuell die wesentliche Unbekannte zur Vorhersage von thermoakustischen Instabilitäten darstellt. Anhand einer Netzwerkmodellierung kann die so bestimmte Flammentransferfunktion in der akustischen Modellierung des Brenners berücksichtig und auf die thermoakustische Stabilität geschlossen werden. Alle Modellschritte werden durch Experimente validiert.

In einem ersten Schritt wurden die akustischen Brennkammerrandbedingungen untersucht. Benachbarte Brenner können über einen Verbindungsspalt, der sich am stromabgelegenen Ende der Brenner und stromauf der ersten Turbinenstufe befindet, akustisch miteinander kommunizieren. Dies kann zur Ausprägung von azimuthalen Moden in dem Rohrringbrenner führen. Basierend auf kürzlich veröffentlichten Studien wird die akustische Interaktion zwischen benachbarten Brennern über eine Kopplungsrandbedingung in der thermoakustischen Modellierung des industriellen Rohrringbrenners berücksichtigt.

Am stromaufgelegenen Ende sind die einzelnen Brenner über ein Prallkühlblech mit dem Kompressorplenum verbunden. Hier werden planaren akustischen Wellen durch die Interaktion mit dem Prallkühlblech gedämpft. Für dieses Bauteil wurde ein akustisches Modell formuliert und experimentell validiert.