Wechselwirkung von Wasserstoffflammen und smarten effusionsgekühlten Gasturbinen-Brennkammerwänden

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreizler; Professor Dr. Christian Hasse; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523792378

Ziel dieses Projekts ist die Erforschung der wissenschaftlichen Grundlagen der selbst adaptierenden Effusionskühlung zukünftiger wasserstoffbetriebener Gasturbinen. Das Forschungskonzept umfasst und verzahnt thermofluidische sowie werkstoffkundliche Fragestellungen. Bei der Wasserstoffverbrennung kommt es im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen aufgrund deutlich geringerer Flammenlöschabstände zu einer sehr intensiven Wechselwirkung der Flamme mit der Brennkammerwand. Hieraus folgen höhere Wandwärmeströme und der Bedarf einer angepassten Kühlung für den Wasserstoffbetrieb. Wegen hoher Effizienz bei relativ geringem Bedarf an Kühlmassenstrom eignet sich die Effusionskühlung. In diesem Projekt sollen über additive Fertigungsverfahren (AM) funktionalisierte, smarte Wandstrukturen mit integrierter Sensorik und Aktorik für die Effusionskühlung hergestellt und in ihrer Wechselwirkung sowie in ihrer Stabilität mit mageren Wasserstoffflammen untersucht werden. In die Wand werden Temperatursensoren integriert, um Wandwärmebelastungen für unterschiedliche Szenarien der Flamme-Wand-Interaktion zu bestimmen. AM-gefertigte poröse Wandstrukturen werden genutzt, um einen gleichmäßigen Kühlfilm zu generieren. Als visionäres Konzept sollen Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen in Kombination mit auxetischen Strukturen als Aktor zur sich selbst adaptierenden (smarten) Regelung des Kühlluftmassenstroms in Abhängigkeit der Wandwärmebelastung (Sensor) durch die Wasserstoffverbrennung erforscht werden. Diese komplexen Wandstrukturen werden in Laborexperimenten hinsichtlich Kühlwirkung und Wechselwirkung zwischen Wasserstoffflamme, Kühlluftstrom und Wand mittels moderner Lasermesstechnik charakterisiert. Ein Fokus liegt auf der Untersuchung der wandnahen Flammenstruktur und ob diese durch thermodiffusive und hydrodynamischen Instabilitäten wie in wandfernen Flammen signifikant beeinflusst wird. Diese experimentellen Daten werden genutzt, um innovative mathematische Verbrennungsmodelle zu validieren, die den Besonderheiten der wandnahen mageren Wasserstoffverbrennung Rechnung tragen. Die Vorhersagegüte der im Projekt erarbeiteten numerischen Simulationswerkzeuge wird für die unterschiedlichen Wandkühlkonzepte bewertet. Damit trägt das Projekt erheblich zu dem Ansatz des Predictive Engineering bei, das für eine rasche Bereitstellung wasserstoffbetriebener Gasturbinen unerlässlich ist.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2419: Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren