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Heiße Rhythmen - Thermoakustischen Phänomenen in Brennkammern auf der Spur

Montag, 12. Dezember 2016

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  • Versuchsträger SCARLET
    Versuchsträger SCARLET

    SCARLET entstand am Hochdruckbrennkammerprüfstand (HBK) 3, des DLR-Instituts für Antriebstechnik im Rahmen der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten AG-Turbo. Er ist von seiner Auslegung her speziell auf die akustischen Messungen zugeschnitten. SCARLET stellt ein Novum dar, da bisherige Versuchsaufbauten nicht primär zur Untersuchung von thermoakustischen Aufgabenstellungen konzipiert waren. Dadurch konnten die für die komplexe Akustik einer Fluggasturbinenbrennkammer entscheidenden Phänomene bisher nicht optimal untersucht werden.

  • Installation des Versuchsaufbaus
    Installation des Versuchsaufbaus

    Der neue Versuchsstand SCARLET steht am Beginn seiner Nutzungsphase. Die Funktionsfähigkeit des Prüfstandes wurde im Oktober 2016 demonstriert und im Rahmen des 15. Statusseminars der AG-Turbo am 12. und 13. Dezember 2016 am DLR-Standort Köln vorgestellt.

  • Abgasdrosselung
    Abgasdrosselung

    Am Austritt des Versuchsträgers misst eine Abgassonde die Emissionswerte von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und –dioxid, Kohlenwasserstoffen und der Partikelkonzentration der Abgase.

  • Messtechnik am Versuchsträger
    Messtechnik am Versuchsträger

    SCARLET verfügt über zwei akustische Messstrecken, die sich in Strömungsrichtung vor und hinter der Brennkammer befinden. Durch mehrere dynamische Drucksensoren können in beiden Messstrecken Druckschwankungen gemessen werden, um so das akustische Feld vor und hinter der Brennkammer zu bestimmen. Zusätzlich messen rund 300 statische Sensoren Drücke, Temperaturen und Massenströme.

  • Dynamische Drucksensoren
    Dynamische Drucksensoren

    SCARLET verfügt über zwei akustische Messstrecken, die sich in Strömungsrichtung vor und hinter der Brennkammer befinden. Durch mehrere dynamische Drucksensoren können in beiden Messstrecken Druckschwankungen gemessen werden, um so das akustische Feld vor und hinter der Brennkammer zu bestimmen. Zusätzlich messen rund 300 statische Sensoren Drücke, Temperaturen und Massenströme.

Die Reduzierung von Schadstoffen ist ein Hauptziel bei der Entwicklung moderner Gasturbinen für die Energieerzeugung und den Antrieb von Flugzeugen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist das genaue Verständnis der Verbrennungsvorgänge innerhalb der Brennkammer einer Gasturbine entscheidend. Ingenieure des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Rolls-Royce Deutschland haben nun gemeinsam eine erste Testkampagne an einem neu entwickelten Versuchsträger durchgeführt.


Fett oder mager?

Der Schlüssel zu weniger Schadstoffemissionen aus Gasturbinen liegt unter anderem im Mischverhältnis zwischen Luft und Kraftstoff. Bei der sogenannten „mageren Verbrennung“ steht dem Kraftstoff in der Primärzone der Brennkammer ein Luftüberschuss zur Verfügung. Hierdurch ist der Stickoxidausstoß geringer als bei einer "fetten Verbrennung", die mit einem Kraftstoffüberschuss in der Primärzone der Brennkammer operiert. Die magere Verbrennung erlaubt es, durch Senkung der Verbrennungstemperatur unter 1.600 °C, die thermisch bedingte Stickoxidbildung signifikant zu reduzieren.

Diesem entscheidenden Vorteil des Konzepts der mageren Verbrennung stehen aber auch gravierende Probleme entgegen: So neigt das Konzept zum Ausbilden periodischer Druckschwankungen, sogenannten thermoakustischen Instabilitäten. Diese können im Extremfall zu Schäden an der Brennkammer oder der Kraftstoffeinspritzung führen.


Was passiert in der Brennkammer?

Die Vorhersage der Vorgänge innerhalb der Triebwerksbrennkammer, welche zu den thermoakustischen Instabilitäten führen, ist aufgrund der vielschichtigen Wechselwirkungen innerhalb einer komplexen Fluggasturbine bislang schwierig. Das Verständnis der physikalischen Reaktion einer Flamme auf akustische Anregung ist noch lückenhaft. Methoden zum Schließen dieser Lücken sind Modellbeschreibungen, numerische Simulationen und vor allem Messungen im Rahmen von Validierungsversuchen in einem Prüfstand unter Bedingungen wie im realen Triebwerk.

Hier setzt der neue thermoakustische Prüfstand SCARLET (Scaled Acoustic Rig for Low Emission Technology) an. SCARLET entstand am Hochdruckbrennkammerprüfstand (HBK) 3, des DLR-Instituts für Antriebstechnik im Rahmen der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten AG-Turbo. Er ist von seiner Auslegung her speziell auf die akustischen Messungen zugeschnitten. SCARLET stellt ein Novum dar, da bisherige Versuchsaufbauten nicht primär zur Untersuchung von thermoakustischen Aufgabenstellungen konzipiert waren. Dadurch konnten die für die komplexe Akustik einer Fluggasturbinenbrennkammer entscheidenden Phänomene bisher nicht optimal untersucht werden.

SCARLET verfügt über zwei akustische Messstrecken, die sich in Strömungsrichtung vor und hinter der Brennkammer befinden. Durch mehrere dynamische Drucksensoren können in beiden Messstrecken Druckschwankungen gemessen werden, um so das akustische Feld vor und hinter der Brennkammer zu bestimmen. Zusätzlich messen rund 300 statische Sensoren Drücke, Temperaturen und Massenströme.

Die Luft kann vor dem Eintritt in die Messstrecke auf circa 700 °C vorerhitzt werden und einen maximalen Betriebsdruck von 32 bar erreichen, was realen Brennkammereintrittsbedingungen entspricht. Besonderen Wert wurde bei der Konstruktion auf die Vermeidung von akustischen Reflexionen an den Anschlussstellen der Messstrecken gelegt, da diese die Messergebnisse verfälschen würden. Am Austritt des Versuchsträgers misst eine Abgassonde die Emissionswerte von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und –dioxid, Kohlenwasserstoffen und der Partikelkonzentration der Abgase.

Der neue Versuchsstand SCARLET steht am Beginn seiner Nutzungsphase. Die Funktionsfähigkeit des Prüfstandes wurde im Oktober 2016 demonstriert und im Rahmen des 15. Statusseminars der AG-Turbo am 12. und 13. Dezember 2016 am DLR-Standort Köln vorgestellt.

Zuletzt geändert am:
14.12.2016 15:47:42 Uhr

Kontakte

 

Michel Winand
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Kommunikation Köln

Tel.: +49 2203 601-2144
Dr.-Ing. André Fischer
Rolls-Royce Deutschland

Combustor Aerothermal

Tel.: +49 33708 6-2554
Christian Fleing
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik, Brennkammertest

Tel.: +49 2203 601-2751