Sprecherhochschule: Technische Universität Berlin

Sprecher:

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch

Stellv. Sprecher:

Prof. Dr.-Ing. Rudibert King und
Prof. Dr.-Ing. C. O. Paschereit

außerdem beteiligt: Freie Universität Berlin

Die zwingend notwendige, signifikante Erhöhung der Effizienz von Gasturbinen wurde im SFB 1029 TurbIn durch den Wechsel weg von der Gleichdruckverbrennung hin zu einer Gleichraumverbrennung mit einem prinzipiell höheren thermodynamischen Wirkungsgrad verfolgt. Über mehr als 9 Jahre hinweg wurden mit einem interdisziplinär aufgestellten Team sowohl die grundlegenden physikalischen Abläufe bei der Verbrennung betrachtet wie auch die komplexen Interaktionen zwischen den einzelnen Komponenten einer Gasturbine. Dabei reichten die Methoden von der reinen Analytik über die Regelungstechnik hin zu komplexen Experimenten in allen relevanten Fachdisziplinen.

Es wurden zwei Verbrennungskonzepte eingehend erforscht, die eine nahezu Konstant-Volumen-Verbrennung erreichen können. So wurden die Charakteristika der klassischen Detonations­verbrennung (Pulsed Detonation Combustion) untersucht, bei der der Verbrennungsvorgang durch gasdynamische Stoßwellen so schnell abgeschlossen wird, dass es nicht zu einer Ausdehnung des Gases kommen kann. Die dabei auftretenden, extremen Druckpulsationen konnten durch das vielversprechende Konzept der stoßfreien Verbrennung (Shockless Explosion Combustion) deutlich gemildert werden. Hierbei wird durch gezielte Schichtung des Brennstoffs und Ausnutzung akustischer Phänomene eine homogene Selbstzündung mit niedrigeren Druckschwankungen erreicht.

Alle Konzepte der Gleichraumverbrennung führen aufgrund ihres periodisch pulsierenden Betriebs zu hochgradig instationären Randbedingungen für die Turbokomponenten der Gasturbine. Daher wurden Methoden und Experimente aufgebaut, die den Effekt der Druckschwankungen auf Verdichter und Turbine mit minimalem Aufwand, z.B. durch aktive Strömungsbeeinflussung reduzieren sollten. Obwohl ein Mehraufwand besteht, um die Strömung stabil zu halten und eine effektive Kühlung zu gewährleisten, zeigten thermodynamische Abschätzungen der Gesamtmaschine mögliche Effizienzgewinne je nach Betriebsparametern auf.

Seinen Abschluss fand der SFB 1029 in einer weiteren Ausgabe der ‚Active Flow and Combustion Control‘-Konferenz, die im September 2021 in Berlin stattfand. Die gezeigten, wissenschaftlich-technischen und methodischen Erfolge der Teilprojekte wurden im gleichnamigen Buch aus der Springer-Reihe ‚Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design‘ veröffentlicht und der Allgemeinheit zugänglich gemacht. Sie belegen das Potential, das mit der Gleichraumverbrennung verbunden ist und weisen den Weg, welche Technologien für die Umsetzung in einer Gasturbine zukünftig zu entwickeln sind.