Echtzeitsimulation der NOx-Emissionen und thermoakustischen Druckoszillationen in Brennkammern stationärer Gasturbinen

Moderne Verfahren zur Echtzeit-Modellierung von Fluggasturbinen bilden die Basis für den Entwurf von Regelkonzepten, für die Reglerauslegung und damit für die Regelkreisoptimierung im Rahmen der Entwicklung komplexer technischer Systeme. Diese Methoden werden sowohl in der Flugtriebwerksindustrie als auch im stationären Gasturbinenbau eingesetzt. In beiden Anwendungsfällen kommt der Abbildung des möglichst realen Komponentenverhaltens bei der Prozessmodellierung in Echtzeit eine besondere Bedeutung zu. Dabei kann das Verhalten der Turbomaschinen in Form von Kennfeldern wiedergegeben werden. Die Abbildung der Brennkammer, hinsichtlich ihres Emissions- und dynamischen Strömungsverhaltens, ist jedoch nur näherungsweise über Ähnlichkeitsparameter möglich. Die Modellierung der Emissionen der Brennkammer erhält jedoch besondere Bedeutung vor dem Hintergrund stetig sinkender Grenzwerte für den Ausstoß von Stickoxiden NOx sowohl bei Flugtriebwerken, als auch in zunehmendem Maße bei stationären Gasturbinen. Für den NOx-Ausstoß sind die Verbrennungstemperatur, der Druck und die Verweilzeit des Brennstoffs in der Brennkammer die wesentlichen Einflussfaktoren. Hieraus resultiert bei stationären Gasturbinen der Einsatz der mageren Vormischverbrennung, die jedoch häufig mit dem Auftreten unerwünschter thermoakustischer Druckpulsationen verbunden ist. Durch den Einsatz der mager vorgemischten Brennstoffstufung besteht die Möglichkeit, mittels der Verteilung des Brennstoffgases die Form und Position der Flamme in der Brennkammer zu beeinflussen. Somit kann gleichzeitig auf die Menge der NOx-Emissionen und die Intensität der Brennkammerschwingungen Einfluss genommen werden. Um den NOx-Ausstoß sowie die Amplitude der Brennkammerschwingungen einzudämmen, wird zur Reglerauslegung ein dynamisches Modell des Verbrennungsprozesses benötigt. Die Bestimmung der Schadstoffemissionen mit Hilfe empirischer Korrelationen ist für Fluggasturbinen und stationäre Gasturbinen hinreichend untersucht worden. Allerdings beschreiben nur wenige Veröffentlichungen empirische Methoden zur Vorhersage von Brennkammerschwingungen. Die vorliegende Arbeit stellt eine empirische Methode vor, mit deren Hilfe NOx-Emissionen und Druckpulsationen von Gasturbinenbrennkammern basierend auf einem statistischen Verfahren (Gauß'scher Prozess) bestimmt werden können. Als Ausgangspunkt dienen detaillierte atmosphärische Einzelbrennerversuche. Mit Hilfe so gewonnener Daten kann mittels des Gauß'schen Prozesses das Verhalten von NOx-Emissionen und Druckpulsationen abgeleitet werden. Der dabei vernachlässigte Einfluss von Brennkammerdrücken wird über eine geeignete Druckskalierung für die Abbildung des tatsächlichen, druckabhängigen Verhaltens korreliert. Das abgeleitete NOx- und Pulsationsmodell kann somit in das dynamische Modell einer stationären Gasturbine integriert werden. Ausreichende Messdaten einer Gasturbine dienen der Kalibrierung und Validierung dieses Modells. Die für die Skalierungsfunktionen benötigten Konstanten werden durch die Verwendung eines Optimierungsprozesses, basierend auf der Evolutionstrategie, ermittelt. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse werden mit Messdaten einer Gasturbine verglichen und zeigen gute Übereinstimmung mit den gegebenen Werten.