Modellierung und Simulation der Schadstoffbildung in Gasturbinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247247556

Für die Entwicklung von Brennkammern spielt die Schadstoffbildung bei der Verbrennung eine sehr große Rolle, und aufgrund immer strenger werdender Emissionsgrenzen ist eine noch stärkere Optimierung hinsichtlich der Emissionen erforderlich. Numerische Simulationen können hierbei einen wesentlichen Beitrag zur Kostenreduktion und Beschleunigung des Entwicklungsprozesses leisten. Die Vorhersagegenauigkeit aktueller Verbrennungsmodelle hinsichtlich der Schadstoffemissionen ist jedoch häufig so gering, dass die Ergebnisse im Designprozess moderner Gasturbinen keinen wirklichen Beitrag leisten. Das Ziel des hier vorgestellten Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen, die Schadstoffemissionen von Gasturbinenbrennkammern zuverlässig vorhersagen können. Zu diesem Zweck wird ein integrierter Modellierungsansatz vorgeschlagen, der Large-Eddy Simulationen (LES) mit dem Einsatz von Verbrennungs- und Schadstoffmodellen kombiniert, die auf detaillierter Beschreibung der Chemie basieren. Das Projekt wurde in Abstimmung mit den projektbegleitenden Unternehmen der FVV in zwei Arbeitspakete aufgeteilt, um den unterschiedlichen Emissionsanforderungen bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern gerecht zu werden. In Fluggasturbinen stellen Rußemissionen eine große Herausforderung dar, wohingegen in stationären Gasturbinen der Anstieg der CO-Emissionen im Teillastbetrieb die Entwicklung lastflexibler Systeme limitiert. Während der ersten Projektphase wurde ein Emissionsmodell für CO im laminaren Kontext entwickelt, das den veränderten Zeitskalen der CO-Bildungs- und Verbrauchsprozesse unter diesen Teillastbedingungen Rechnung trägt und diese vom übrigen Verbrennungsmodell entkoppelt. Für Rußemissionen lag der Fokus auf der statistischen Beschreibung der Rußpartikel-Verteilungsfunktion. Durch ein neuartiges Quadratur-basiertes Momentenverfahren konnte insbesondere die Beschreibung der Rußoxidation verbessert werden. In der zweiten Phase liegt der Fokus auf der Interaktion zwischen Turbulenz und Schadstoffbildung. Hierzu werden Direkte Numerische Simulationen (DNS) in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt werden, die die Verbrennungsprozesse und Schadstoffbildung in stationären und Fluggasturbinen abbilden. Die resultierenden Daten werden unter Einsatz der Optimal Estimator-Methode systematisch analysiert. Mit den Erkenntnissen der Schadstoff/Turbulenz Interaktionen wird die turbulente Formulierung beider Schadstoffmodelle im Kontext von LES entwickelt. Zum Abschluss des Projekts werden alle Modellkomponenten aus beiden Projektphasen in ein bestehendes Multi-Regime-Verbrennungsmodell integriert. Dieses integrierte Modell wird sowohl auf die Verbrennung in einer Modellbrennkammer als auch auf ein reales Flugtriebwerk angewendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen