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TU Berlin

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Thermoakustische Anpassung von Verbrennungsprüfständen

Bei der Entwicklung von neuen Gasturbinen sind geringe Emissionswerte von schädlichen Abgasen und der Wirkungsgrad Hauptziele. Aus diesem Grund hat sich die magere Vormischverbrennung bei modernen Gasturbinen etabliert. Ein Nachteil dieser Art der Verbrennung ist jedoch die Anfälligkeit für thermoakustische Instabilitäten. Dies sind akustische Schwingungen in der Brennkammer, die durch eine konstruktive Überlagerung von Druckschwankungen und Wärmefreisetzungsschwankungen der Flamme entstehen können. Diese Instabilitäten können den Wirkungsgrad und die Emissionswerte einer Gasturbine verschlechtern sowie zu Ermüdungsbrüchen im Material führen.


Die Entwicklung eines neuen Brennersystems muss daher stets auch unter dem Aspekt der Entstehung thermoakustischer Instabilitäten erfolgen. Hierfür sind experimentelle Untersuchungen unerlässlich. Da eine Aussage über die Neigung eines Brennersystems zu Instabilitäten im eingebauten Zustand an der Gasturbine getroffen werden soll, muss der Prüfstand je nach Art der Untersuchung mehr oder weniger genau der realen Maschine entsprechen. Werden Teile des Systems modelliert, kann der Prüfstand generisch gehalten werden, was die Implementierung der Messtechnik und Aktuatorik vereinfacht. Im hier beschriebenen Projekt wird der Ansatz verfolgt, die Geometrie der Maschine am Prüfstand möglichst exakt nachzuempfinden.


Die Messungen, die nötig sind, um thermoakustische Phänomene zu untersuchen erfordern Aktuatoren, die verschiedene akustische Zustände im System erzeugen, wofür hohe Schalldruckamplituden erforderlich sind. Mit Drucksensoren werden das akustische Feld stromauf und stromab der Flamme gemessen, was bspw. die Grundlage für Stabilitätsanalysen ist. Sensorik und Aktuatorik müssen zum einen hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen und zum anderen robust genug sein, um den Umgebungsbedingungen im Prüfstand zu widerstehen. Ein weiteres Ziel des aktuellen Projekts ist es, die akustische Randbedingung am Auslass der Brennkammer aktiv einzustellen, um die Anfälligkeit für thermoakustische Instabilitäten direkt zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden Aktuatoren entwickelt, die zusätzlich phasengenau arbeiten.


Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Siemens AG durchgeführt

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