Bessere Gasturbinenmotorendesigns steigern Effizienz und reduzieren Lärm
Gasturbinenmotoren, die zur Stromerzeugung und in Hausheizkesseln zur Beheizung von Gebäuden verwendet werden, sind in den letzten Jahren umweltfreundlicher geworden. Möglich wurde das durch das Mischen des Brennstoffs mit einem Überschuss an Luft vor dem Verbrennen, was in niedrigeren Flammentemperaturen und einer verringerten Schadstoffemission resultierte. Diese die Luftverschmutzung verringernde Technologie ist jedoch auf „Verbrennungsinstabilitäten“ anfällig, die hohe Lärmpegel mit sich bringen und manchmal Schäden an den Motoren verursachen können. Die am EU-finanzierten Projekt TANGO (Thermoacoustic and Aeroacoustic Nonlinearities in Green combustors with Orifice structures) beteiligten Wissenschaftler haben an Möglichkeiten zur Überwindung dieser Instabilitäten gearbeitet. „Im Rahmen der Forschung von TANGO wollten wir die thermoakustischen und aeroakustischen Wechselwirkungen in Verbrennungssystemen wie etwa Gasturbinenmotoren und in den Haushalten angesiedelten Heizkessel nachvollziehen, die eine Schlüsselrolle bei Verbrennungsinstabilitäten spielen“, erläutert TANGO-Projektkoordinatorin Maria Heckl. Verbrennungsinstabilitäten können starke Druckschwingungen innerhalb des Motors auslösen. Diese können dann übermäßige Strukturschwingungen, Ermüdung bestimmter Motorbauteile und sogar katastrophale Schäden an der Brenner-Hardware verursachen. „Es ist dringend erforderlich, die dafür verantwortlichen physikalischen Prozesse zu verstehen, damit Methoden zur Vorhersage und Verhinderung dieser Instabilitäten entwickelt werden können“, erläutert Heckl. Um dieses Gebiet voranzubringen, entwickelte das Projekt ein Frühwarnsystem, das die mit Verbrennungsinstabilitäten verbundenen Schwingungen erkennen kann, bevor sie gefährlich hohe Werte erreichen. Das Frühwarnsystem wurde nun patentiert und wird vom TANGO-Partner IfTA unter der Bezeichnung „IfTA PreCursor“ vermarktet. In einer zweiten Untersuchungsrichtung zielte das Projekt darauf ab, diese Instabilitäten speziell bei Hausheizkesseln zu vermeiden, die typischerweise im Brennraum einen Wärmetauscher aufweisen. Die Forscher entwickelten theoretische Modelle, die nicht nur demonstrieren, dass ein Wärmetauscher mit sorgfältig ausgewählten Eigenschaften Instabilität unterdrücken kann, sondern auch als Instrument zur Vorhersage der optimalen Einstellungen für diesen Wärmetauscher dienen. Heckl geht nun davon aus, dass der TANGO-Projektpartner Bekaert diese Modelle zur Schaffung einer neuen Generation von instabilitätssicheren und leisen Hausheizkesseln nutzt. Das Projekt verbesserte außerdem den wissenschaftlichen Erkenntnisstand über weitere Aspekte. Wie interagieren zum Beispiel mikroperforierte Platten mit Schallwellen und können sie zur Reduzierung des Lärmpegels während einer Verbrennungsinstabilität eingesetzt werden? Zudem konzentrierte sich das Projekt auch auf die Gleichstellung von Frauen und Männern in der Wissenschaft. Vier der 15 Stipendiaten waren weiblich und alle Stipendiaten wurden zum Thema Genderbewusstsein geschult. TANGO hat seine Resultate in Form vieler wissenschaftlicher Arbeiten in Fachzeitschriften und auf internationalen Konferenzen veröffentlicht. Im Rahmen des Projekts geht man davon aus, dass die Ergebnisse von Wissenschaftlern aufgenommen werden, die sich mit speziellen Forschungsfragen befassen. Obgleich das Projekt nun beendet ist, verfolgt Heckl das Ziel, die Forschung fortzusetzen. „TANGO war sehr erfolgreich und seine Koordinierung war eine wahre Freude. Ich hoffe nun ein ähnliches Projekt aufbauen zu können, um unser Verständnis der Aeroakustik zu vertiefen und einen Beitrag zur Arbeit an der Reduzierung des Umgebungslärms zu leisten. Ich werde mich außerdem weiterhin darum bemühen, noch mehr Frauen in die Ingenieurwissenschaften zu locken“, betont Heckl abschließend.
Schlüsselbegriffe
TANGO, Verbrennungsinstabilitäten, Gasturbinen, Motoren, Triebwerke, Kessel, Energieeffizienz, Lärm, Stromerzeuger
