Luftfahrt Neue Verbrennungskonzepte für Gasturbinen

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Verlängerung für einen Sonderforschungsbereich zur Gasturbinenforschung an der TU Berlin und der FU Berlin bis 2020 bewilligt. Ziel ist die Entwicklung neuer Verbrennungskonzepte, die instationäre, also zeitlich nicht konstante Vorgänge in Verdichtern und Turbinen gezielt zur Verbesserung von Wirkungsgraden nutzen.

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Weltweit sind sich Expertinnen und Experten einig: Eine umweltpolitisch und ökonomisch dringend notwendige und sinnvolle Effizienzsteigerung von Gasturbinen sei nur noch marginal möglich, wenn man beim heutigen technischen Konzept bleibe. Denn während Kolbenmotoren bereits mit dem thermodynamisch besseren Konzept einer Verbrennung bei nahezu konstantem Volumen arbeiten, wurde dieser Ansatz in Gasturbinen trotz des damit verbundenen hohen Potenzials zur Brennstoffeinsparung und somit der Reduktion von Treibhausgasemissionen bisher nicht in der Praxis verfolgt.

Umso freudiger wurde die Nachricht von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 1029 (SFB 1029) aufgenommen, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ihre Arbeit von 2016 bis 2020 für weitere vier Jahre mit insgesamt über neun Mio. Euro weiterfördern werde. In 14 Teilprojekten und einem Integrierten Graduiertenkolleg soll in Turb-In eine Gasturbine mit innovativen Verbrennungskonzepten entwickelt werden, deren Wirkungsgrad enorm verbessert ist. Erreicht werden soll das auf der Grundlage innovativer Verbrennungskonzepte und indem instationäre, das heißt zeitlich nicht konstante Vorgänge in Verdichtern und Turbinen gezielt ausgenutzt werden. Die Forscher wollen durch einen Wechsel des Verbrennungskonzeptes auch in Gasturbinen eine Verbrennung bei näherungsweise konstantem Volumen erzielen, allerdings ohne Kolben zu verwenden.

Theorie soll nun in Praxis umgesetzt werden

„In der ersten Phase des Sonderforschungsbereiches wurden durch den Aufbau komplexer Experimente in Kombination mit der Entwicklung mathematisch höchst anspruchsvoller Methoden die Grundlagen erarbeitet, um nun in dieser zweiten Phase einen entscheidenden Schritt voranzukommen, ein solch vollständig neues Gasturbinenkonzept umzusetzen“, sagt SFB-Sprecher Rudibert King, Professor für Mess- und Regelungstechnik an der TU Berlin. „Die Erweiterung der Themenfelder in der kommenden Phase entspricht der konsequenten Planung, sich den erkannten Herausforderungen zu stellen, die bei der Interaktion von Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten entstehen“, ergänzt der stellvertretende Sprecher Prof. Dr. Christian Oliver Paschereit, Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik.

Ein zentrales Element des SFB 1029 ist es, zwei unterschiedliche Verbrennungskonzepte zu erarbeiten, die die konventionelle Verbrennung bei konstantem Druck ablösen und einen deutlichen Effizienzsprung erzielen. Das eine der beiden Verbrennungskonzepte, die stoßfreie Verbrennung, ist weltweit einmalig, erfordert aber noch intensive Grundlagenforschung. „Das Konzept der stoßfreien Verbrennung stellt insbesondere für die Regelungstechnik eine sehr große Herausforderung dar, da wir in der Brennkammer eine sehr genaue Brennstoffschichtung gewährleisten müssen“, erläutert Rudibert King.

Instationaritäten gezielt nutzen

„Beide Verbrennungskonzepte führen zu starken periodischen Druckschwankungen, die in konventionellen Gasturbinen bewusst vermieden werden. Das Team will die zwangsläufig bestehenden Instationaritäten nicht unterdrücken, sondern ganz im Gegenteil in Verbindung mit den neuen Verbrennungskonzepten gezielt nutzen“, sagt Prof. Dr. Dieter Peitsch, ebenfalls stellvertretender Sprecher und Leiter des Fachgebietes Luftfahrtantriebe. Dazu müssen im Verdichter, der Turbine und dem Kühlsystem der Gesamtmaschine besondere Vorkehrungen getroffen werden, um die Auswirkungen dieser Instationaritäten gezielt auszunutzen und durch das Einbringen weiterer Instationaritäten die Effizienz sogar noch weiter zu steigern.

Die Vision des Sonderforschungsbereiches ist es, die wichtigsten Technologien in ihrem Zusammenspiel in einer dritten, vierjährigen SFB-Phase zu demonstrieren. Zu diesem Zwecke wurden mehrere neue Teilprojekte eingerichtet, die zum einen die Abschätzung des Einflusses der Räume zwischen Brennkammer und Verdichter beziehungsweise Brennkammer und Turbine zum Thema haben und sich zum anderen mit der Bewertung des potentiellen Wirkungsgradgewinns und der Leistungsfähigkeit der Gesamtmaschine befassen.

Neben der TU Berlin ist auch eine Professur mit zwei wissenschaftlichen Mitarbeiterstellen der FU Berlin involviert, um die dort vorhandenen mathematischen Kompetenzen in komplementärer Weise einzubinden. Bereits in der ersten Phase des Sonderforschungsbereiches war diese Kooperation besonders fruchtbar.

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