Zusammenfassung
In den Kap. 10–13 wird anhand ausgeführter Beispiele die Technologie der Gasturbinenbrennkammern und ihrer Peripherie beschrieben. Der heutige Stand ist das Ergebnis einer simultanen Optimierung mehrerer in Brennkammern ablaufender Teilprozesse. Wenn die Evolution der Brennkammertechnik auch zu teilweise sehr unterschiedlichen technischen Lösungen geführt hat, besteht doch eine große Ähnlichkeit in der Weise, wie die Teilprozesse in den Brennkammern ablaufen und miteinander wechselwirken. Auf diese gemeinsamen verbrennungstechnischen Grundlagen soll nachfolgend phänomenologisch beschreibend eingegangen werden, um die Basis für das Verständnis der individuellen Brennkammerdesigns zu schaffen.
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Notes
- 1.
Idealisierter Prozess mit gleichen Druckverhältnissen und isentropen Zustandsänderungen mit gleichen und konstanten Isentropenexponenten bei der Kompression und der Expansion.
- 2.
Eine mit Erdgas betriebene Brennkammer des technologischen Stands der 70er-Jahre des letzten Jahrhunderts emittiert ca. 20- bis 50-mal mehr Stickoxide als eine Brennkammer heutiger Technologie.
- 3.
Eine Erweiterung im mathematischen Sinn, s. (9.7).
- 4.
Bei Prozessen, in denen das Wasser immer vollständig in der Gasphase ist, treten dann in der Energiebilanz keine Zusatzterme auf, die den Phasenwechsel beschreiben.
- 5.
Der Grund für die Kopplung zum unteren Heizwert ist die Wahl des gasförmigen Aggregatzustandes als Basis für die Bildungsenthalpie des Wassers.
- 6.
Für die Heißgastemperatur sind unterschiedliche Definitionen gebräuchlich, die auf der Brennerluftmenge, der Brennkammerluftmenge, der Luftmenge nach dem ersten Leitrad oder einem fiktiven Ersatz-Kreisprozess ohne Berücksichtigung der Kühlung beruhen. Die Luftzahl ist jeweils entsprechend zu bilden.
- 7.
Betrieb der Gasturbine mit reiner Luft bei Vernachlässigung der Luftfeuchte und Annahme, dass der Brennstoff vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird. Der Index „heißgas“ wurde weggelassen.
- 8.
Über ca. 2 000 K treten im Abgas andere Spezies auf, die zu zunehmenden Abweichungen zwischen der Temperatur im thermodynamischen Gleichgewicht und dem Ergebnis aus (9.15) führen. In diesem Fall liefert eine Berechnung des Gleichgewichtszustandes genauere Werte für die Heißgastemperatur.
- 9.
Damit erhöht sich beim adiabaten Verdichter gleichzeitig die Verdichteraustrittstemperatur.
- 10.
Dies zeigt Abb. 9.3 nach der Umrechnung auf die massenbezogene Wärmekapazität.
- 11.
Flammentemperatur unter 2 000 K.
- 12.
Stark vereinfacht betrachtet wird ein Teil der Verdichterluft durch diese Bestandteile ersetzt.
- 13.
Der Wasserstoffgehalt in den meisten mittel- und niederkalorischen Brennstoffen führt v. a. in Verbindung mit Kohlenmonoxid im Brennstoff trotz des niedrigen Heizwertes zu hohen Flammengeschwindigkeiten und kurzen Selbstzündzeiten.
- 14.
In turbulenten Flammen findet die Diffusion v. a. durch turbulente Mischvorgänge statt, die Feinmischung wird aber auch in gasturbinentypischen Flammen durch molekulare Diffusionsvorgänge verursacht, da lokal ein pseudolaminarer Charakter der Flammenfront weitgehend erhalten bleibt (s. auch Abschn. 9.5).
- 15.
Mittelwert für Ebenen normal zur Brennerlängsachse.
- 16.
Beispiele für Arrheniusansätze sind die Gleichungen in Abschn. 9.9.3. Die Form des Arrheniusansatzes wird in vielen Bereichen der Stoffumwandlung benutzt. Zum Beispiel lassen sich auch die Elementarreaktionen von Verbrennungsvorgängen so beschreiben.
- 17.
Ohne Berücksichtigung des Turbulenzeinflusses auf die Diffusion.
- 18.
Beispiele hierfür sind poröse Platten oder Lochbleche, durch die das Gemisch dem Brennraum zugeführt wird.
- 19.
Zur Verdeutlichung dieses Gleichgewichtes bietet sich eine stabile Diffusorströmung brennbaren Gemisches als Gedankenmodell an. Die Reaktion setzt an der Koordinate ein, an der die Strömungsgeschwindigkeit auf die Brenngeschwindigkeit abgefallen ist.
- 20.
Bespiele hierfür sind Stoßdiffusoren, Stufen, Rohrregister oder Stumpfkörper in der Strömung.
- 21.
Dies gilt nur für eingeschlossene, weitgehend adiabate Flammen. Offene Flammen zeigen dagegen eine ausgeprägte Abhängigkeit der mageren Löschgrenze von der Drallzahl.
- 22.
Beim Quenchen bricht die Reaktionsrate zusammen („Abschrecken“).
- 23.
Bei einer Verdopplung des Brennerdurchmessers z. B. muss die Flammenfront den doppelten Weg durch das Gemisch zurücklegen, wofür sie die doppelte Länge benötigt.
- 24.
Typische Werte für die Flammentemperatur an der Löschgrenze von Kohlenwasserstoff-Vormischflammen liegen zwischen 1 500 und 1 700 K und sind nur schwach vom Druck und der Luftvorwärmung abhängig.
- 25.
Betrieb bei mittlerer oder niedriger Teillast.
- 26.
„Parts per million“, molares Verhältnis von CO zum gesamten Abgas.
- 27.
Dieser Mechanismus wird häufig als Zeldovich-Mechanismus bezeichnet.
- 28.
Dieser Mechanismus wird häufig als Fenimore-Mechanismus bezeichnet.
- 29.
Das Mikrolängenmaß beschreibt die Größe der kleinsten Wirbel in einem turbulenten Strömungsfeld. Kleinere Wirbel sind nicht überlebensfähig, da sie durch die molekulare Reibung sofort dissipiert würden.
- 30.
Der gleiche Mechanismus führt bei niedrigen Flammentemperaturen von Diffusionsflammen und im pilotierten Betrieb von Vormischflammen wie sie bei niedriger Last in Gasturbinen auftreten zum Einfrieren von NO\({}_{2}\) mit dem Effekt einer unerwünschten Gelbfärbung des Abgases.
- 31.
Temperaturhub von 99,9 %, d. h.\((T_{\text{hei{\ss}gas}}-T)/(T_{\text{hei{\ss}gas}}-T_{\text{gemisch}})=0{,}001\).
- 32.
Auch bei der nicht vorgemischten Verbrennung ist die Konversion des Brennstoffstickstoffs geringer als bei der mageren Vormischung.
- 33.
Zur detaillierten Charakterisierung der Rußneigung von Brennstoffen ist eine Analyse der Bindungsform des Kohlenstoffs in den Brennstoffmolekülen notwendig. Globale Parameter wie das C\(/\)O- oder das C\(/\)H-Verhältnis oder der Gehalt an Aromaten sind v. a. nützlich zur Beschreibung von Brennstoffen ähnlicher chemischer Bindungsstrukturen.
- 34.
Bei hohem Bypassanteil fällt die Geschwindigkeit im Brenner stark ab, was zu Sicherheitsproblemen führen kann (s. Abschn. 9.9.2). Bei geschlossenem Bypass können darüber hinaus thermische Probleme in nicht durchströmten Komponenten auftreten.
- 35.
Das heißt präziser, dass ihre Selbstzündzeit im Millisekundenbereich liegt.
- 36.
Auf die Selbstzündvorgänge in Gemischen aus Abgas und Brennstoff-Luft-Gemisch wird in Abschn. 9.9.3 detaillierter eingegangen.
- 37.
Die mittlere Austrittstemperatur der Brennkammer ist an dieser Grenze aufgrund der Temperaturungleichförmigkeiten sowie endlicher Misch- und Reaktionszeiten (s. Abschn. 9.9.3) höher.
- 38.
Das heißt die lokalen Fluktuationen des Mischungsbruchs.
- 39.
Die Admittanz ist das komplexe Verhältnis aus der Schnelle und dem akustischen Druck.
- 40.
Beide Kriterien sind streng genommen nicht äquivalent. Die zweite Regel wird verwendet, weil i. Allg. weder die räumliche Verteilung der turbulenten Flammengeschwindigkeit im Brenner noch der Abstand zur Rückschlagsgrenze unter realistischen Bedingungen bekannt sind.
- 41.
Die Unsicherheiten bei der Anwendung solcher Korrelationen im Rahmen der Brennerauslegung liegen in der realistischen Beschreibung der Turbulenz in Form einer Intensität und eines Längenmaßes sowie in der Extrapolation auf gasturbinentypische Drücke.
- 42.
Gleichwohl zeigen reaktionskinetische Studien, dass die Zündverzugszeit für sehr magere Gemische immer weiter ansteigt, ein Effekt, den Korrelationen nicht immer wiedergeben können.
- 43.
Maximale Aufenthaltszeiten des Gemischs im Brenner sind i. Allg. \(<\text{ca.}\leavevmode\nobreak\ 5\) ms.
- 44.
Aliphate sind gerade oder verzweigte, nicht ringförmige Kohlenwasserstoffe, die in flüssigen, technischen Brennstoffen vorherrschen.
- 45.
Aromate sind aus Benzolringen aufgebaute Bestandteile flüssiger Brennstoffe.
- 46.
Damit ist der Kontakt mit Abgas gemeint, das die adiabate Flammentemperatur erreicht hat.
- 47.
Diese Behauptung beruht auf experimentellen Beobachtungen an Versuchsbrennkammern und Gasturbinen. Diese zeigen, dass eine weitgehende CO-Oxidation nur dann erreicht wird, wenn sich eine Mischtemperatur von ca. 1 200 K schon mit weniger als ca. 75 % Abgasanteil ergibt.
- 48.
Die Selbstzündzeit bei diesen Mischvorgängen ist näherungsweise umgekehrt proportional zum Druck.
- 49.
Dieser Phasenwechsel wird üblicherweise als Brennstoffverdampfung bezeichnet, obwohl es sich um einen Verdunstungsvorgang handelt.
- 50.
Bei stationären Gasturbinen sind Drücke bis ca. 10 MPa üblich.
- 51.
Dies ist v. a. im Flugtriebwerksbau erfolgt, bei großen stationären Gasturbinen dagegen nur teilweise.
- 52.
Bei 2–3 % Brennkammerdruckverlust werden Werte um ca. 100 m\(/\)s erreicht.
- 53.
Dies gilt insbesondere für das Vormischverfahren.
- 54.
Bei sehr hohen, in stationären Gasturbinen bisher nicht üblichen Brennkammerdrücken werden überkritische Zustände in den Tropfen erreicht, und es tritt kein Phasenübergang mehr auf.
- 55.
Hierunter wird der Zusammenhang zwischen dem verdampften Massenanteil und der Temperatur bei vorgegebenem Druck im thermodynamischen Gleichgewicht verstanden.
- 56.
Die real vorhandenen Strömungsvorgänge im Tropfen sind von untergeordneter Bedeutung für den Verdampfungsvorgang.
- 57.
Eine konstante Temperatur wird nur bei reinen Brennstoffen erreicht. Diese Temperatur wird in der Thermodynamik als Kühlgrenztemperatur bezeichnet.
- 58.
Das Gesetz gilt streng nur, wenn noch weitere Größen konstant bleiben, was aber i. Allg. mit guter Näherung erfüllt ist.
- 59.
Hier werden reine Stoffe betrachtet.
- 60.
Aus diesem Grund wäre es präziser, die Vorgänge als Brennstoffverdunstung zu bezeichnen.
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Sattelmayer, T. (2019). Grundlagen der Verbrennung in stationären Gasturbinen. In: Lechner, C., Seume, J. (eds) Stationäre Gasturbinen. VDI-Buch. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-56134-8_9
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