SFB 1029:  TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200291049

Die zwingend notwendige, signifikante Erhöhung der Effizienz von Gasturbinen wird im SFB 1029 durch den Wechsel weg von der Gleichdruckverbrennung hin zu einer Gleichraumverbrennung mit einem prinzipiell höheren thermodynamischen Wirkungsgrad verfolgt. In den beiden vorangegangenen Förderperioden wurden dazu 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 können 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. In der dritten Förderperiode wird zusätzlich die rotierende Detonationsverbrennung (Rotating Detonation Combustion) als drittes Konzept mit aufgenommen. Die Verbrennung erfolgt hier über eine umlaufende Stoßwelle bei deutlich höheren Frequenzen, was für den Einsatz in Gasturbinen Vorteile mit sich bringen kann. Alle Konzepte der Gleichraumverbrennung führen aufgrund ihres periodisch pulsierenden Betriebs zu hochgradig instationären Randbedingungen für die Turbokomponenten der Gasturbine. Daher wurden in der zweiten Förderperiode Methoden und Experimente aufgebaut, die sich auf die Möglichkeiten fokussieren, die Druckschwankungen an den Schnittstellen zwischen Verdichter, Brennkammer und Turbine soweit wie möglich zu reduzieren. Die Maßnahmen, eine sichere Kühlung der ersten Turbinenstufe zu garantieren und die Strömungsstabilität im Verdichter durch aktive Strömungsbeeinflussung zu erhalten, wurden weiter erforscht. Ein Ziel ist es dabei, den dazu erforderlichen Mehraufwand so gering wie möglich zu halten, um die thermodynamischen Effizienzgewinne der Verbrennung nicht wieder zu verlieren. In der dritten Förderperiode soll nun ein signifikanter Schritt in Richtung realistische Anwendungsumgebung getan werden. Aus diesem Grunde wird auch die bisher auf die Thermodynamik konzentrierte Betrachtung der Gesamtmaschine um strukturmechanische Fragestellungen erweitert. Die bisherigen Erkenntnisse fließen in der dritten Förderperiode in den Aufbau eines Demonstrators ein, der sowohl als Plattform zur Entwicklung von Prozessführungskonzepten für verschiedene Betriebspunkte wie auch zur Gewinnung von Randbedingungen für die einzelnen Modulprüfstände dienen wird.

• DFG-Verfahren: Sonderforschungsbereiche

Abgeschlossene Projekte

• A01 - Pulsierende Detonationsverbrennung bei Gasturbinenbedingungen (Teilprojektleiter Moeck, Jonas ;  Paschereit, Christian Oliver )
• A02 - Entwicklung reduzierter Modelle für die pulsierende Verbrennung (Teilprojektleiter Mehrmann, Volker ;  Sesterhenn, Jörn Lothar )
• A03 - Pulsierende stoßfreie Verbrennung (Teilprojektleiter Klein, Rupert ;  Paschereit, Christian Oliver )
• A04 - Untersuchung und Optimierung des Zyklus der pulsierenden detonativen Verbrennung (Teilprojektleiter Reiss, Julius )
• A05 - Modellbildung, Überwachung und Regelung der pulsierenden Verbrennung (Teilprojektleiter King, Rudibert )
• A07 - Entwicklung der Reaktionsmodelle für die pulsierende Verbrennung (Teilprojektleiter Pitsch, Heinz )
• A08 - Optimierung brennbarer Gemische für die stoßfreie Explosion (Teilprojektleiterin Djordjevic, Neda )
• B01 - Aktive Strömungskontrolle an Statorgittern bei periodisch-instationären Randbedingungen (Teilprojektleiter Liebich, Robert ;  Peitsch, Dieter )
• B02 - Beeinflussung der instationären Rotor-Stator-Wechselwirkung durch adaptive Schaufelsysteme bei periodischer Androsselung (Teilprojektleiter Liebich, Robert ;  Meyer, Robert ;  Thamsen, Paul Uwe )
• B03 - Dynamisch pulsierende Prallkühlung in realitätsnahen Turbinenschaufeln (Teilprojektleiter Haucke, Frank ;  Peitsch, Dieter )
• B04 - Numerische Simulation von pulsierenden Prallstrahlarrays II (Teilprojektleiter Reiss, Julius ;  Sesterhenn, Jörn Lothar )
• B05 - Kühlung und Leistung einer Turbine bei periodisch-instationärer Zuströmung (Teilprojektleiter Peitsch, Dieter )
• B06 - Schnelle Regelung instationärer Effekte in Turbomaschinen (Teilprojektleiter King, Rudibert )
• C01 - Experiment und Numerik zu Brennrohr-Plenum-Wechselwirkungen bei pulsierender Verbrennung (Teilprojektleiter Klein, Rupert ;  Oberleithner, Kilian ;  Paschereit, Christian Oliver )
• C02 - Verlustarme Einströmung und Interaktion kofluent startender Freistrahlen in ein Plenum (Teilprojektleiter Reiss, Julius ;  Sesterhenn, Jörn Lothar )
• D01 - Gesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung (Teilprojektleiter Peitsch, Dieter ;  Stathopoulos, Panagiotis )
• MGK - Integriertes Graduiertenkolleg (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Djordjevic, Neda ;  Enghardt, Lars ;  Moeck, Jonas ;  Stathopoulos, Panagiotis )
• Z - Zentrale Aufgaben des Sonderforschungsbereichs (Teilprojektleiter King, Rudibert ;  Peitsch, Dieter )

• Antragstellende Institution: Technische Universität Berlin
• Beteiligte Hochschule: Freie Universität Berlin; Universität Bayreuth
• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Rudibert King, bis 12/2018; Professor Dr.-Ing. Dieter Peitsch, seit 1/2019