Geophysical Fluid Dynamics

SFB 1029 - TurbIn

Shockless Explosion Combustion
Shockless Explosion Combustion
Turbulenter Selbstzündprozess
Turbulenter Selbstzündprozess

Gasturbinen decken in etwa ein Fünftel des weltweiten Energiebedarfs ab, mit steigender Tendenz. Es sind vielfache Anstrengungen unternommen worden, um eine optimale Effizienz zu erreichen, Dennoch ist es bis heute nur gelungen, Gesamtwirkungsgrade um circa 40% zu erreichen.

Diese Grenze aufzubrechen ist das Anliegen dieses Projektes. Den mehrheitlich an der Technischen Universität angesiedelten Sonderforschungsbereich 1029 der DFG zeichnet dabei eine breite Kooperation verschiedener Disziplinen und eine ganzheitliche Betrachtung der Maschine aus.

Eines der dabei verfolgten Konzepte ist, die Gleichdruckverbrennung von klassischen Turbinen zugunsten einer energetisch günstigeren Gleichraumverbrennung aufzugeben. In einer Turbine gibt es im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor keinen abgeschlossenen Brennraum; das verbrennende Gas muss also anderweitig an der Ausdehnung gehindert werden. Eine dynamische Annäherung an die Gleichraumverbrennung lässt sich durch detonative Verbrennung erreichen. Die dabei entstehenden starken Stoßwellen führen jedoch zu kurzen Lebensdauern und hohem Wartungsaufwand. Die Alternative ist die kontrollierte, homogene Selbstzündung des Treibstoffs.

An der Freien Universität erforschen wir die theoretischen Rahmenbedingungen, die eine solche Betriebsweise möglich machen. Insbesondere untersuchen wir die Shockless Explosion Combustion (SEC), die ein völlig neuartiges Betriebskonzept für Gasturbinen darstellt.

Dazu haben wir ein reduziertes Modell des Prozesses und eine dazugehörige Simulation produziert. Ergebnisse dieser Betrachtungen verwenden wir, um laufend in Zusammenarbeit mit dem Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik der Technischen Universität Berlin die Anforderungen an Brennstoffe und einen geplanten Demonstrator abzustecken.

Forschungsschwerpunkte sind derzeit der Übergang vom Joule-Prozess zu einer SEC in einer laufenden Gasturbine sowie die Auslegung eines Turbinenplenums hinter den Brennrohren. Thematisch geht es dabei um die Entwicklung von eindimensionalen Turbulenzmodellen und ihre Einbettung in Finite-Volumen-Codes, bzw. um die Entwicklung von numerischen Verfahren zur Simulation und Optimierung von Strömungen in komplexen Geometrien, insbesondere Cut-Cell-Verfahren.