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
 

Projektbeschreibung

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

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