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Annular Instabilities and Transient Phenomena in Gas Turbine Combustors

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Untersuchungen an Gasturbinen-Ringbrennkammern verbessern die Konstruktion

Neuartige experimentelle theoretische und numerische Untersuchungen von Gasturbinen-Ringbrennkammern haben wesentliche Prozessdetails zum Vorschein gebracht, die mit Teilkomponentenprüfständen bisher nicht festgestellt werden konnten.

Energie

Brennkammern sind das Herzstück von Gasturbinen, die wiederum einen elementaren Bestandteil der Luftfahrt und die effizienteste Art der Energieerzeugung darstellen. Umfangreiche Forschungsarbeiten an Teilen echter Brennkammern haben Einblicke in neue physikalische Prozesse der Verbrennungsdynamik ermöglicht. Die Vorhersage, wie sich diese Vorgänge in realen, komplexeren Systemen abspielen, ist von entscheidender Bedeutung. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wurde im Rahmen des Projekts ANNULIGhT die Verbrennungsdynamik in Gasturbinen-Ringbrennkammern beschrieben. Die neuen Methoden, Werkzeuge und grundlegenden Erkenntnisse, die in mehr als 40 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften vorgestellt wurden, sind heute Stand der Technik auf diesem Gebiet und werden die Entwicklung von emissionsarmen, CO2-freien Gasturbinen der nächsten Generation – für die Anwendungen Antrieb und Stromerzeugung – ankurbeln.

Thermoakustische Instabilitäten, mageres Abblasen und Wiederzündung

Die meisten Düsentriebwerke arbeiten mit ringförmigen Brennkammern und mehreren Einspritzdüsen entlang des Umfangs, um die Flammen zu stabilisieren. „Thermoakustische Instabilitäten treten auf, wenn akustische (Druck-)Wellen mit den Flammen interagieren und verstärkt werden, wodurch das Verbrennungssystem in Resonanz versetzt wird. Genau das geschah bei der Saturn-V-Rakete. In ringförmigen Brennkammern breiten sich diese Druckwellen räumlich aus und können so stark werden, dass sie den Motor schwer beschädigen und sogar zu einem Ausfall führen“, erklärt James Dawson von der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegen, der auch für die Koordination von ANNULIGhT verantwortlich ist. Mageres Abblasen und Wiederzündung stellen miteinander verknüpfte Herausforderungen dar. Eine Verbrennung, bei der mehr Luft als Kraftstoff vorhanden ist, minimiert die Stickoxidemissionen. Zu viel Luft kann jedoch die Flammen zum Erlöschen bringen. Die technischen Fachkräfte stellen sicher, dass die Motoren erneut gezündet werden können. Über die dabei ablaufenden Prozesse wissen sie jedoch nur begrenzt Bescheid, da sie bei ihren Prüfungen nicht in den Motor hineinsehen können – sie wissen nur, ob der Motor eingeschaltet ist oder nicht.

Vollständige Untersuchungen von Ringbrennkammern liefern wichtige Einblicke

„ANNULIGhT verfügt über mehrere einzigartige Ringbrennkammern im Labormaßstab, mit denen wir einen Einblick darüber gewinnen, was in einem echten Triebwerk passiert, etwa wenn eine Flamme gezündet wird, die sich um die Brennkammer herum ausbreitet und alle Einspritzdüsen entzündet (Rundumlicht). Anhand von Experimenten mit Hochgeschwindigkeitskameras und Lasern können wir die grundlegende Komplexität echter Motoren erfassen. Diese werden mit numerischen hochgenauen Simulationen kombiniert, die noch mehr Details liefern“, erläutert Dawson. Das Team entdeckte, dass Symmetriebrechungen für die Steuerung thermoakustischer Instabilitäten in ringförmigen Geometrien von zentraler Bedeutung sind. Dies führte zu neuen Berechnungsmethoden und -werkzeugen, mit deren Hilfe Schlüsselparameter zur Vermeidung dieser Instabilitäten und zur Verbesserung von Konstruktionen identifiziert werden können. Die Visualisierung des Abmagerns, der Zündung und des Umgebungslichts hat entscheidende Erkenntnisse darüber geliefert, wie die Motoren sicherer gestaltet werden können. ANNULIGhT hat gezeigt, dass die große Vielfalt an Systemreaktionen, die in ringförmigen Geometrien auftreten, nur mit Ringbrennkammer-Geometrien sichtbar gemacht werden kann. Dieses bessere Verständnis der physikalischen Vorgänge beim Wiederanzünden von Motoren und der neuen physikalischen Werkzeuge zur besseren Vorhersage und Verhinderung der Verbrennungsdynamik wird den Designfortschritt von Brennkammern der nächsten Generation anheizen.

Wissenschaft und Industrie gemeinsam für die Entwicklung von Brennkammern

Die enge Zusammenarbeit bei ANNULIGhT hat bereits zu praktischen Verbesserungen geführt. Experimente und numerische Simulationen haben verdeutlicht, dass sehr hohe Rotationsströmungen thermoakustische Instabilitäten unterdrücken. Das Phänomen wurde theoretisch erklärt. Dies hat zu weiteren Entwicklungen in der Rotationsverbrennungstechnik des Partners Safran Helicopter Engines geführt. Dawson stellt abschließend fest: „Alles dreht sich um die Raketenwissenschaft, doch die Gasturbine ist eine unglaublich komplexe und schöne Maschine. Ich hoffe, dass Sie bei ihrem nächsten Flug einen Blick aus dem Flugzeugfenster werfen, um dieses technische Wunderwerk zu sehen, und sich dabei fragen: ‚Wie funktioniert diese Gasturbine eigentlich?‘“. ANNULIGhT weiß die Antwort.

Schlüsselbegriffe

ANNULIGhT, Brennkammer, ringförmig, Gasturbine, thermoakustisch, mageres Abblasen, Wiederzündung

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