Für Gasturbinenbrennkammern stellt das FLOX®-Gasturbinenbrennerkonzept eine erfolgversprechende Alternative zu den gebräuchlichen Drallbrennern dar.
Charakteristisch für das Konzept der jetstabilisierten Verbrennung ist die Eindüsung von Brennstoff-Luft-Gemischen in die Brennkammer in Form von Jets mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Die Anordnung der Jets führt zu einem ausgeprägten Rezirkulationsgebiet in der Brennkammer. So werden Brennstoff, Luft und rezirkuliertes verbranntes Gas vor dem Einsetzen von Verbrennungsreaktionen intensiv gemischt. Damit werden lokale Temperaturspitzen und eine starke Stickoxidbildung in der Flamme vermieden.
Der Name des FLOX®Konzepts - flameless oxidation - wurde gewählt, weil bei der ursprünglichen Anwendung des Konzepts in Industriebrennern die Flammen kaum leuchteten. Bei den hohen Leistungsdichten und Flammentemperaturen moderner Gasturbinen liegt jedoch keine flammenlose Verbrennung mehr vor. Das Jet-Konzept hat sich aber auch hier als sehr erfolgreich erwiesen.
Das Konzept der jetstabilisierten Verbrennung mit Rezirkulation ist am Institut in Kooperation mit Industriepartnern weiter entwickelt und für Gasturbinen aller Größen optimiert worden. Brenner dieser Bauart zeichnen sich nicht nur durch geringe Schadstoffemissionen aus, sondern auch durch große Brennstoffflexibilität und hohe Stabilität. Diese Eigenschaften sind im Energiesystem der Zukunft gefragt.
Niedrige Emissionen und große Lastflexibilität
Bei jetstabilisierten Brennkammersystemen wird das Luft-Brennstoff-Gemisch über die in der Regel auf einem Ring angeordneten Düsen unverdrallt, teilvorgemischt und mit hohem Axialimpuls in die Brennkammer eingebracht. Dadurch entsteht auf der Brennerachse ein starkes Rezirkulationsgebiet. Diese Rezirkulation transportiert die heißen Abgase aus dem Bereich hinter der Reaktionszone zurück an den Brennkammereintritt.
Die Durchmischung des unverbrannten Luft-Brennstoff-Gemischs mit den rezirkulierenden Abgasen findet in den turbulenten Scherschichten der Jetströmung statt. Die ausbalancierten Rezirkulationsraten und der damit verbundene Transport von Wärme und Radikalen bewirken eine effektive Flammenstabilisierung. Gleichzeitig werden durch die Verdünnung der Frischluft auch die Reaktionsraten abgesenkt. Es stellt sich ein relativ homogenes Temperaturfeld in der Brennkammer ein, bei dem die Temperaturspitzen die adiabate Flammentemperatur des globalen Gemischs nur leicht übersteigen.
Dieses homogene Temperaturfeld ist entscheidend dafür, dass dieser Brennertyp vergleichsweise geringe Emissionen produziert. Vor allem die NOx-Emissionen sind deshalb sehr niedrig, denn die Bildung von Stickoxiden über den thermischen Pfad wird stark von der Verbrennungstemperatur beeinflusst. Für die Auslegung eines solchen Brennersystems sind Anzahl und Dimensionierung sowie die Anordnung der Luft- und Brennstoffdüsen von hoher Bedeutung. Die Eigenschaften des Brennersystems werden außerdem wesentlich durch die geometrische Ausgestaltung der Düsen, ihre Konturen und mögliche Mischeinrichtungen beeinflusst.
Neben der Möglichkeit, die thermische Leistung des Brennersystems über den Luft- und Brennstoffstrom durch die Düsen gleichmäßig zu variieren, bietet eine Konfiguration mit einer Anzahl an einzelnen Düsen prinzipiell auch die Möglichkeit, durch Abschaltung einzelner Düsen oder Düsengruppen die Leistung über einen weiten Bereich zu variieren. Dies ermöglicht die gewünschte Lastflexibilität. Die Optimierung der genannten variablen Parameter stellt ein aktives Forschungsfeld des Instituts dar, mit dem Beiträge zum Verständnis von Verbrennungsphänomenen und zur industriellen Weiterentwicklung geleistet werden.
Jet-stabilisiertes Brennerkonzept
Schematisierende Darstellung des jet-stabilisierenden Brennerkonzepts (oben Skizze, unten nummerische Simulation des Strömungsfeldes)
Ein weiterer Vorteil jetstabilisierter Brennkammersysteme ist, dass sie wenig anfällig für Verbrennungsinstabilitäten sind. Deshalb sind sie geradezu prädestiniert für den Betrieb mit reinem Wasserstoff und Gemischen, in denen der Wasserstoffanteil mehr als die Hälfte ausmacht. Das Flammenrückschlagsrisiko wird mit diesem Brennkammerkonzept durch die sehr hohen Eintrittsgeschwindigkeiten minimiert. Die Brennstoffflexibilität ermöglicht den Einsatz bei variablen Brennstoffzusammensetzungen oder verschiedenen gasförmigen Gemischen sowie Flüssigbrennstoffen.
Um die komplexen Strömungs- und Verbrennungsprozesse im Detail zu verstehen und die Auslegung weiter zu optimieren, kombiniert das Institut numerische Simulationstechniken mit Experimenten an den institutseigenen atmosphärischen und Hochdruckprüfständen unter Einsatz optischer und Laser-basierter Messtechnik.
Wenn wir davon ausgehen, dass zukünftige Verbrennungssysteme zunehmend – nach Verfügbarkeit – mit Wasserstoff klimaneutral betrieben werden, bieten jetstabilisierte Brenner eine ideale Option bereits in der Übergangszeit, in der Wasserstoff noch nicht überall in dem gewünschten Umfang verfügbar ist. Aufgrund der nachgewiesenen Brennstoffflexibilität gilt das gleichermaßen für nachhaltig hergestellte Flüssigtreibstoffe und die Anwendung in der Luftfahrt.
FLOX-Brenner
Frontaler Blick in einen jetstabilisierten Gasturbinenbrenner
Hochdruck-Brennkammerprüfstand HBK-S für die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen unter realen Gasturbinenbedingungen
Der Hochdruck-Brennkammerprüfstand HBK-S erlaubt es, Verbrennungsprozesse unter realen Gasturbinen-Betriebsbedingungen und mit optischer Zugänglichkeit zu untersuchen.
