Thermoakustische Analyse von Brennern für Flüssigbrennstoffe

Um im stark umkämpften GUD-Kraftwerksmarkt weltweit wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen heute hocheffiziente, schadstoffarme und zuverlässige Gasturbinen entwickelt werden.

Die Brennkammer ist hier von zentraler Bedeutung, weil die schadstoffarme Vormischverbrennung häufig begleitet wird von thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen. Solche Schwingungen treten insbesondere im Teillastbereich, in Abhängigkeit von der Pilotierungsart bzw. Brennergruppierung sowie durch Änderungen in der Brennstoffspezifikation auf. Insbesondere letzteres ist von großer Relevanz, da die heute eingesetzten Vormischbrennersysteme meist nur für die Eigenschaften eines spezifischen Brennstoffs ausgelegt sind. Es ist jedoch davon auszugehen, dass in Zukunft Brennersysteme für ein größeres Brennstoffspektrum benötigt werden, sowohl für gasförmige Brennstoffe (z.B. C2+ angereichte Erdgase und Syngase) als auch für flüssige Brennstoffe (z.B. Methanol und Öl).

Durch Verbrennungsschwingungen wird nicht nur die Güte des Verbrennungsprozesses negativ beeinflusst, sondern die Verbrennungsinstabilitäten gehen im allgemeinen einher mit Druck- und Temperaturfluktuationen, die die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit oder schlimmstenfalls gar die Sicherheit von Gasturbinen gefährden können. Daher sollte das Auftreten von thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen möglichst frühzeitig im Entwicklungsprozess beachtet werden. Entsprechende Analysewerkzeuge, die auf experimentellen, analytischen und numerischen Methoden basieren, sind dafür zu entwickeln und in den Entwicklungsprozess einzubinden.

Im Rahmen dieses Vorhabens soll ein Verbrennungssystem entwickelt werden, bei dem ein schwingungsfreier und emissionsarmer Betrieb über einen weiten Lastbereich mit verschiedenartigen und insbesondere flüssigen Brennstoffen gewährleistet ist. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt dabei auf der thermoakustischen Auslegung des Brennersystems.

Solche Verfahren sind inzwischen für gasförmige Brennstoffe weit fortgeschritten, wobei die thermoakustische Analyse im allgemeinen basierend auf Messungen bei atmosphärischem Druck vorgenommen wird. Bei einem erweiterten Brennstoffspektrum, insbesondere bei flüssigen Brennstoffen, ist von einem starken Druckeinfluss der Verbrennung auszugehen, und das erfordert die Entwicklung einer entsprechenden Messtechnik für erhöhte Druckbedingungen.

Das Ziel des Vorhabens umfasst dabei sowohl die Entwicklung und Validierung eines entsprechenden Messverfahrens, die analytische Beschreibung der Flammentransferfunktion, als auch die Auslegung eines entsprechenden industriellen Brennersystems.

Das Projekt wird in Kooperation mit ALSTOM Power (Switzerland) Ltd. im Rahmen des AG Turbo Verbundprojekts COOREFF („CO2-Reduktion durch Effizienz“) durchgeführt.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Daniel Guyot

Laufzeit: 01/09/05 – 30/09/08