Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung und Simulation der Schadstoffbildung in modernen Gasturbinenbrennkammern, unter Berücksichtigung nieder- und mittelfrequenter thermoakustischer Brennkammerschwingungen. Zuerst soll eine Literaturstudie durchgeführt werden, um existierende Modelle anhand verfügbarer Publikationen zu bewerten. Die geeignetsten Ansätze werden als Prototypen getestet. Ausgewählte Modelle werden in OpenFOAM implementiert. Im zweiten Schritt wird das verifizierte Simulationssystem für turbulente Verbrennung mit Schadstoffbildung auf einen realistischen Testfall angewendet. Derzeit ist als Testfall der Prototyp einer Siemens-Brennkammer vorgesehen, für den detaillierte Untersuchungen am Hochdruckbrennkammer-Versuchsstand der DLR Köln durchgeführt worden sind. Die Durchführung dieser Rechnungen erfordert Zeit auf einem Parallelrechner, die Siemens am Rechenzentrum Jülich einkaufen wird. Der Schwerpunkt der Simulationen liegt auf den Kohlenmonoxid-Emissionen bei reduzierter Last, der Stickoxidemission bei Höchstlast (base load), sowie der Thermoakustik zwischen zwei bis vier Can-Brennkammern. Die Simulationsergebnisse sollen anschließend im Detail analysiert und untersucht werden, um die Ursachen von Vorhersagefehlern einzugrenzen und sie spezifischen Modellannahmen zuzuordnen. Im dritten Schritt werden sogenannte PDF Methoden, welche die Verbundwahrscheinlichkeits-Dichtefunktion (PDF) der Spezieskonzentrationen transportieren und durch chemische Reaktionen modifizieren untersucht. Sie erlauben eine bessere Modellierung der Verbrennung in Bereichen wo die Flameletannahme überstrapaziert wird. Hierzu wird die Methode der 'Stochastic Fields' implementiert. Die erforderlichen Reaktionsmechanismen sollen durch systematische Reduktion und Optimierung detaillierter Modelle gewonnen werden. Die Implementierung soll an einem technischen System der Firma Siemens verifiziert werden. Das vierte Arbeitspaket widmet sich der Dokumentation und Berichterstattung.
Intensiver Forschung ist es gelungen, die Gefahr auftretender Pulsationen durch eine entsprechende Auslegung der Brennkammer einzuschränken und gezielt auf auftretende Probleme im Betrieb zu reagieren. Dennoch ist das Bereitstellen weiterer Stabilisierungsmaßnahmen unabdingbar. Und um schnell den Anforderungen des schwankenden Netzes zu folgen, sind zudem Gasturbinen in allen Leistungsklassen erforderlich, die einen astflexiblen Betrieb mit weiteren Brennstoffen problemlos erlauben. Die Problemstellungen erfordern zudem das Weiterentwickeln der Vorhersagemodelle der Schadstoffbildung, der Instabilitäten und deren Messtechnik. Die Arbeiten im Bereich Verbrennung verteilen sich auf die drei Gruppen 'Thermoakustik', 'Brennstoffflexibilität' sowie 'Analyse und Diagnose'.
Ziel des Projektes ist die Anwendung des Konzeptes zur aktiven Anpassung der akustischen Randbedingung eines Hochdruckbrennkammerprüfstandes mit anschließender thermoakustischer Charakterisierung des Verbrennungssystems. Der zuvor entwickelte Prüfstand bietet zum einen die Möglichkeit, unter Hochdruckbedingungen thermoakustische Phänomene des Verbrennungssystems zu untersuchen. Dazu wird im Prüfstand eine stromauf- sowie stromabseitig akustische Anregung mit entsprechend ausgelegten Aktuatoren realisiert. Durch die Messung des akustischen Feldes kann die Flammenantwort auf diese Anregung untersucht werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf das thermoakustische Stabilitätsverhalten des Verbrennungssystems. Zum anderen wird das sogenannte Impedance Tuning genutzt. Hiermit kann die akustische Randbedingung des Prüfstandes so angepasst werden, dass sie der in der Maschine entspricht. Es werden die lineare und die nichtlineare Flammenantwort bestimmt. Im ersten Arbeitspaket wird die Flammenantwort verschiedener Brenner im Hochdruckverbrennungssystem mit den im vorangegangenen Projekt bestimmten Methoden messtechnisch erfasst. Im zweiten Arbeitspaket wird die akustische Randbedingung im Prüfstand mittels im Vorfeld entwickeltem Impedance Tuning nach den Vorgaben des Industriepartners angepasst. Das dritte Arbeitspaket umfasst die Systemmodellierung sowie eine Stabilitätsanalyse der vorgegebenen Brennersysteme.