Heiße Rhythmen - Thermoakustischen Phänomenen in Brennkammern auf der Spur

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 Meßtrecken, die sich in Strömungsrichtung vor und hinter der Brennkammer befinden. Durch mehrere dynamische Drucksensoren können in beiden Meßtrecken 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 Meßtrecke 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 Anschlußtellen der Meßtrecken 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.