Skalierung von Gasturbinenbrennkammern

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Jesko Hofmann
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1 Skalierung von Gasturbinenbrennkammern Antrittsvorlesung Prof. Dr.-Ing. Nikolaos Zarzalis Engler-Bunte-Institut/Verbrennungstechnik Universität Karlsruhe (TH) Prof. Dr.-Ing. N. Zarzalis

2 Gliederung: 1. Problemdarstellung - Abgrenzung 2. Aufbau und Funktionsweise 3. Methoden der Skalierung 4. Einfluss der Skalierungsmethode auf die Kennwerte 5. Anwendung 6. Zusammenfassung Engler-Bunte-Institut/Verbrennungstechnik Universität Karlsruhe (TH) Prof.Dr.-Ing.N.Zarzalis

3 Gasturbine für Verkehrsflugzeuge Problemdarstellung

4 Gasturbine für Verkehrsflugzeuge Problemdarstellung

5 Gasturbine für Verkehrsflugzeuge Problemdarstellung

6 Gasturbine für Verkehrsflugzeuge Problemdarstellung

7 Summe der äußeren Kräfte = Änderung des Impluses über der Berandung ( + ) L Br w A L w E mit : L >> Br p = E = pa = pa F r = Fs L ( w w ) A E L w a F S L w e Problemdarstellung

8 Problemdarstellung

9 Summe der äußeren Kräfte = Änderung des Impluses über der Berandung ( + ) L Br w A L w E mit : L >> Br p = p = p F r = E A a F s = L ( w w ) A E F s 1. ( w w ) 2. A E L F A L w a F S L w e Problemdarstellung

10 Skalierung von Brennkammern α Problemdarstellung: Dimension dem Durchsatz anpassen, ohne die relevanten Brennkammer- und Triebwerkskennwerte negativ zu beeinflussen Problemdarstellung

11 Aufbau und Wirkung einer Gasturbinen-Brennkammer T 3 T 4 Aufbau und Funktionsweise

12 Aufbau und Wirkung einer Gasturbinen-Brennkammer Rezirkulation Zündung Stabilität Temperaturprofile T 3 T 4 Aufbau und Funktionsweise

13 Erläuterung der Funktionsweise Gasdynamische Beziehungen u p =f T; p max 0 0 p 0 T 0 u max p = ρ Aeff u T0 p Mred = = f A eff, p 0 p 0 Aufbau und Funktionsweise

14 Erläuterung der Funktionsweise Gasdynamische Beziehungen u p =f T; p max 0 0 p 0 u max p = ρ Aeff u T0 p Mred = = f A eff, p 0 p 0 a Aufbau und Funktionsweise

15 Erläuterung der Funktionsweise Gasdynamische Beziehungen u p =f T; p max 0 0 p 0 u max p = ρ Aeff u T0 p Mred = = f A eff, p 0 p 0 a Aufbau und Funktionsweise

16 Erläuterung der Funktionsweise Gasdynamische Beziehungen u p =f T; p max 0 0 p 0 u max a p = ρ Aeff u T0 p Mred = = f A eff, p 0 p 0 p = p 0 krit Aufbau und Funktionsweise

17 Erläuterung der Funktionsweise Gasdynamische Beziehungen u p =f T; p max 0 0 = ρ Aeff u T0 p Mred = = f A eff, p 0 p 0 p = p 0 krit Mred,TL = const Mred,BK const p p 0 BK const Der Brennkammerdruckverlust ist konstant über alle Betriebspunkte Aufbau und Funktionsweise

18 Methoden der Skalierung =α 2 1 τ = const. U = const. τ= V V V V& α U = V& A A α A l α 13 l α 12 A α 23 A α V α V α 32 U & 1/ 3 V 1/ 2 V A α τ α V & Methoden der Skalierung

19 Einfluss der Skalierung auf die Brennkammerkennwerte Zündung Wärmefreisetzung Wärmebelastung - Kühlung Mischung - Temperaturprofile NO x -Emissionen Brennkammerkennwerte

20 Funktionsweise der Brennstoffdüse Druckzerstäuber Brennstoffspray Fuel injector Sekundärdrallerzeuger Brennstofffilm Fuel film Secondary swirler Fuel Spray Primärdrallerzeuger Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

21 Funktionsweise der Brennstoffdüse Aufgaben der Düse: Zerstäubung Mischung Brennstoff/Luft Flammenstabilisierung kurze Flamme Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

22 Skalierung der Brennstoffdüse p Forderung : const. UD const. p = = τ = const. : l α 1/ 3 d D > l D α ρ U D A D α d D α 1/ 2 U = const. : l α 1/ 2 d D l Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

23 Stabilitätsbedingung Im Stabilisierungspunkt muss Strömungsgeschwindigkeit = Flammengeschwindigkeit herrschen Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

24 Begriff der Flammengeschwindigkeit v 0 = Λ im stationären Fall h& ein ρ0 v0 δ q& wl h& aus ρ v v0 = Λ a δ a τ kin Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

25 Schätzung der Reaktionsdichte V & FG V & AG A Fl V& V& FG FG = ρ = Λ A Fl m Λ = 8 s H u = kj kg V m 3 Bk = kg MW m & Br = 1 Q& = 46MW q& = 1533 s 3 m MW V m 3 q& = Otto = 1533 Q& Otto = 3MW 3 m Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

26 Erhöhung der Wärmefreisetzungsrate durch Turbulenz Vergrößerung der Flammenoberfläche durch Streckung und Faltung Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

27 Erhöhung der Wärmefreisetzungsrate durch Turbulenz Vergrößerung der Flammenoberfläche durch Streckung und Faltung Intensivierung der Transportvorgänge durch die stochastische Bewegung von Massenballen (Wirbeln) DLR Stuttgart DLR Stuttgart Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

28 Flammenstabilitätsforderung U = 1 Λ t τ = const. U = const. 1/ 3 U U α > 1 Λ < t negativ oder positiv Die Flammenstabilität wird beeinflusst U const. positiv U Λ t < 1 Brennkammerkennwerte Wärmefreisetzung

29 Abhängigkeit der NOx -Emissionen von Temperatur und Verweilzeit 1000 NOx Emissionen / ppm msec 2msec 5msec 10 msec 20 msec 50 msec Temperatur / C Brennkammerkennwerte NO x -Emissionen

30 Skalierung am Beispiel des E3E-Technologieprogramms 1. Aufbau Rechteckbrennkammer V 1 = V 3. Aufbau Ringbrennkammer V 1 = 0.4 *V Anwendung

31 Ringbrennkammer: 3. Aufbau vor und nach dem Versuch Anwendung

32 Vergleich der NOx-Emissionen EI NOx (g/ kg Br) p 3 =20 bar, T 3 = 790 K E3E_03_01 Aufbau 3: Ring-Bk Ring-BK E3E_01_02 Aufbau 1: Rechteck-Bk Rechteck-BK LBV Anwendung

33 Skalierung eines Hubschraubertriebwerks Leistungsklasse: 1000 kw Gewicht: 180 kg Länge: 1000 mm G/L: 0,180 kg/mm Skalierung: P 2 =1,5*P 1 α =1,5 ( 1,5 ) α α 6,7 kg MBkS = MBkS = Anwendung

34 Zusammenfassung: Es gibt zwei Methoden, die Brennkammer zu skalieren: Konstante Geschwindigkeit: strömungsmechanische Ähnlichkeit geringer Entwicklungsaufwand NOx-Emissionen steigen Konstante Verweilzeit: Reduzierter Gewichtszuwachs bei Hochskalierung NOx-Emission bleibt konstant großer Entwicklungsaufwand Zusammenfassung

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