Reduzierung der Emissionen von Gasturbinen
Eine der größten Herausforderungen für Ingenieure, die am Bau von Gasturbinen beteiligt sind, war, ein mit Flüssigkraftstoff betriebenes Verbrennungssystem zu entwickeln, mit dem es möglich ist, die engen Emissionsgrenzwerte einzuhalten, ohne aber Einbußen bei der Leistungsfähigkeit hinnehmen zu müssen. Die neuesten Entwicklungen haben Verbrennungssysteme hervorgebracht, bei denen zwar nur geringe Mengen von unerwünschten chemischen Verbindungen ausgestoßen werden (hierunter in geringem Umfang auch Stickoxidemissionen), bei diesen Verbrennungssystemen treten allerdings Verbrennungsinstabilitäten auf. Im Rahmen des MUSCLES-Projekts hat man sich mit dem Auftreten dieser Instabilitäten befasst. Dazu wurden umfassende Grundlagen für die theoretische Modellierung von selbsterregten Schwingungen in Brennkammern erarbeitet. Ein hoher Wärmeübergang kann eine Ursache für Schallwellen sein, da diese zu intensiven Druckschwankungen führen, durch die sogar Schäden an der Struktur hervorgerufen werden können. Das Einströmverhalten des Luft-Kraftstoffgemischs wird durch solche Schallwellen beeinflusst, was dann zur Verstärkung von Verbrennungsinstabilitäten führt. Hauptziel der Projektpartner an der Universität Rouen (Frankreich) war es, den direkten Einfluss von Druckschwankungen auf die Verdampfung des zugeführten Brennstoffsprays zu untersuchen. Hierfür wurde ein nichtlinearer theoretischer Ansatz verfolgt, bei dem sich die Nichtlinearität in Form eines Sättigungsbereichs der Flammenantwort äußerte. Diese tritt insbesondere dann auf, wenn die Druckschwankungen so stark werden, dass sich der Strom des Luft-Kraftstoffgemischs umkehrt, während immer noch Wärme freigesetzt wird. Direkte Numerische Simulationen (DNS) von Druckwellen, die sich in Richtung auf einen Tropfen-Cluster bewegen, wurden zuerst für eine geschichtete Strömung durchgeführt. Anschließend wurden in das hierfür verwendete numerische Modell homogene Turbulenzen eingeführt. Die Ergebnisse, zusammen mit den neuen Modellen, die auf raynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS, Reynolds-averaged Navier-Stokes) oder Large Eddy Simulationen (LES) basieren, wurden anhand von experimentellen Daten des EM2C Laboratory bewertet. Die Experimente wurden unter Verwendung eines sehr gut kontrollierbaren Aufbaus durchgeführt, bei dem akustische Schwingungen, die durch einen Schallerreger erzeugt wurden, der am unteren Ende eines Brenners angebracht war, mit einer turbulenten Sprayflamme interagierten. Die letztendlich erstellten Modelle werden in ein einziges umfassendes Modell zusammengefasst, mit dem es möglich sein wird, die Frequenz und noch wichtiger die Amplitude von Druckschwankungen vorherzusagen. In naher Zukunft könnten bei der Entwicklung von Verbrennungssystemen Erprobungen durchgeführt werden. Hierdurch könnten dann nicht nur Verbrennungssysteme mit niedrigen Emissionswerten entwickelt werden, sondern auch solche, bei denen keine Verbrennungsinstabilitäten auftreten.