SFB 1029 (TurbIn), D01

Das Forschungsvorhaben stellt ein Teilprojekt innerhalb des Sonderforschungsbereichs 1029 TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen dar.

Vielfältigste Anstrengungen haben dazu geführt, dass in Gasturbinen heute Gesamtwirkungsgrade von circa 40 Prozent erreicht werden. Der größte Teil der primär eingesetzten Energie geht aber nach wie vor unter Erzeugung von Treibhausgasen und anderen Schadstoffen verloren. Bleibt man in der Gasturbine beim heutigen Verbrennungsprinzip, sind Verbesserungen jedoch enge Grenzen gesetzt. Ohne grundlegenden Systemwechsel sind zukünftig nur noch inkrementelle und asymptotisch verlaufende Effizienzsteigerungen möglich. Eines der zentralen Ziele des Sonderforschungsbereichs liegt daher im Aufbrechen dieser Grenzen. Unsere Vision besteht in der "Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen um mehr als 10 Prozent durch Beherrschung und Ausnutzung der Kombination innovativer, instationärer Verbrennungskonzepte und instationärer Maschinencharakteristika".

Möglich gemacht werden soll diese Steigerung vor allem durch den thermodynamisch motivierten Übergang von der heute verwendeten Verbrennung bei konstantem Druck zu einer druckerhöhenden, stoßbehafteten beziehungsweise stoßfreien Verbrennung bei näherungsweise konstantem Volumen. Bei einem solchen Verbrennungskonzept wird die Brennkammer Quelle sehr stark instationärer Effekte, insbesondere von pulsierenden Druckwellen sein. Diese laufen sowohl in den Verdichter als auch in die Turbine. Die thermodynamischen Vorteile einer isochoren Verbrennung können daher nur ausgenutzt werden, wenn es gelingt, diese stark instationären Belastungen in anderen Maschinenteilen zu beherrschen. Die dazu verwendeten Methoden der passiven und der geregelten Strömungsbeeinflussung sollen gleichzeitig so aufgebaut werden, dass sie bereits ohne die druckerhöhende Verbrennung zu einer Wirkungsgradsteigerung auch in konventionellen Gasturbinen
führen.

Das Projekt „Gesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung“ befasst sich mit der thermodynamischen Bewertung von Gasturbinen-Kreisprozesse mit pulsierender Gleichraumverbrennung.  Das konventionelle Leistungsrechnungsprogramm GTlab wird dazu weiterentwickelt, so dass die gasdynamischen, instationären Vorgänge nachgebildet werden können. Um das Konzept der periodisch druckerhöhenden Verbrennung im geschlossenen Kontext der Gasturbine weiterführend zu bewerten, werden sowohl die beteiligten Turbokomponenten als auch das Sekundärluftsystem in einer Vorentwurfsbetrachtung ausgelegt.