In der Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung von technischen Brennkammersystemen für Mikrogasturbinen verfügt die Abteilung über jahrelange Erfahrung von der Konzepterstellung bis hin zur erfolgreichen Integration und dem Betrieb in Mikrogasturbinen-Prüfständen und Kraftwerksanlagen.
Im Fokus der Forschungsaktivitäten der Verbrennungssysteme stehen die Schadstoffminimierung, die Verbesserung der Zuverlässigkeit sowie die Brennstoffflexibilität hinsichtlich konventionellen und alternativen flüssigen und gasförmigen Brennstoffe.
Gegenwärtig werden Brennersysteme sowohl für
als auch für
entwickelt und erprobt. Der thermische Leistungsbereich der Systeme erstreckt sich von 1 kW bis ca. 350 kW. Der Brennkammerdruck beträgt 1 bis 4,5 bar bei Brennkammereintrittstemperaturen der Luft von bis zu 850°C.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von Brennkammern, die auf dem FLOX®-Prinzip basieren. Dieses Konzept ermöglicht im Vergleich zu aktuellen konventionellen Brennersystemen eine Steigerung der Effizienz bei einer gleichzeitigen Reduktion der Schadstoffemissionen. Ein weiterer Vorteil ist das geringe Flammenrückschlagrisiko, wodurch eine hohe Brennstoffflexibilität erreicht und der Einsatz wasserstoffhaltiger Brennstoffe ermöglicht wird.
Die für den Einsatz in Mikrogasturbinen entwickelten FLOX®-Brennerkonzepte bestehen aus jeweils kreisförmig, äquidistant angeordneten Brennstoff- und Luftdüsen. Hierbei wird der Brennstoff koaxial eingedüst und in der anschließenden Mischstrecke vor dem Brennkammereintritt mit der Luft teilweise vorgemischt. Die Verbrennungseigenschaften werden hierbei im Wesentlichen von der für die MGT typischen Betriebsweise von Zündung bis zur Volllast beeinflusst. Während sich in der Regel unter Vollastbedingungen Jet-stabilisierte Einzelflammen ausbilden, entsteht unter Teillast auf Grund der Abmagerung des Brennstoff/Luftgemisches eine einzelne räumlich verteilte Wärmefreisetzungszone.
Des Weiteren wird der Einsatz von neuartigen Materialien und Herstellungsverfahren untersucht. Mit den DLR-Instituten für Werkstoff-Forschung und Bauweisen und Strukturtechnologie wird z.B. an der Verwendung von Keramik (z.B. WHIPOX®) gearbeitet. Insbesondere bei der Prototypenfertigung und für komplexe Geometrien wird das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) für Hochtemperaturmaterialien eingesetzt.
Die Auslegung eines neuen Brenner- und Brennkammersystems erfolgt nach einer ersten Konzeptentwicklung mittels numerischer Simulation reaktiver Strömungen (CFD). Hierbei werden kommerziell erhältliche Programme für die Generierung von Rechengittern eingesetzt. Die numerische Strömungssimulation erfolgt mit dem DLR-Code THETA und den von der Abteilung Computer Simulation entwickelten Modellen. Des Weiteren werden die kommerziell verfügbaren CFD-Codes ANSYS CFX / FLUENT verwendet. Die eingesetzten numerischen Modelle zur Simulation der Turbulenz und der Verbrennungsreaktionen variieren je nach Entwicklungsfortschritt und den gestellten Anforderungen. Die Bandbreite der eingesetzten Verbrennungsmodelle reicht von einfachen Verbrennungsmodellen (z.B. Eddy Dissipation Model / Finite Rate Chemistry (EDM/FRC)) mit globalen Reaktionsmechanismus bis hin zu komplexen Modellen, die die chemischen Reaktionsmechanismen detailliert abbilden können. Komplexe Verbrennungsmodelle werden insbesondere für die Verbrennung von Synthesegasen und bei der externen Abgasrückführung sowie im mageren FLOX®-Betrieb eingesetzt, da hierbei die chemisch-kinetischen Effekte eine dominierende Rolle spielen. Die grundlegende Untersuchung von stationären und instationären Verbrennungsprozessen mit RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes Gleichungsmodelle) wird zudem durch den Einsatz hybrider LES (Large Eddy Simulationen) /RANS Methoden numerisch unterstützt.
Zur Untersuchung und Charakterisierung der numerisch ausgelegten Brennersysteme stehen im sogenannten atmosphärischen Brennerlabor („ATM"-Labor) mobile, modular aufgebaute und optisch zugängliche, atmosphärische Einzelbrennerprüfstände mit einer Luftvorheizung von bis zu 850°C zur Verfügung, um reale Brennkammereintrittstemperaturen zu realisieren. Schwerpunkte der Charakterisierung von Brennkammersystemen bilden die Bestimmung des stabilen Betriebsbereiches unter Berücksichtigung von Druckverlust und Abgasemissionen und die Entwicklung von Regel- und Betriebskonzepten.
Mit den gewonnenen Ergebnissen werden die Brennersysteme in Hinblick auf ihren Einsatzbereich in der Mikrogasturbine optimiert. Anschließend erfolgt die Integration in am Institut vorhandenen Mikrogasturbinenprüfständen im Technikum auf Basis der T100 der Firma Turbec und in der Großanlage Forschungskraftwerk auf Basis der EnerTwin der Firma MTT und der Auxiliary Power Unit GTCP 36-28 der Firma Garrett.