TU Berlin: 7 Millionen für Gasturbinenforschung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat am 22. Mai 2012 die Einrichtung eines neuen Sonderforschungsbereiches (Sfb 1029) zum Thema „TurbIn – Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen“ an der TU Berlin bewilligt.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden ein innovatives Verbrennungskonzept entwickeln, um die Leistung von Gasturbinen besser nutzen zu können. Sprecher ist Prof. Dr.-Ing. Rudibert King vom Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik an der TU Berlin.

Weltweit befinden sich deutlich mehr als 100.000 große Gasturbinen im Einsatz. Man verwendet sie in Kraftwerken, um zum Beispiel Strom durch die Verbrennung von Gas zu erzeugen. An Flugzeugen sorgen sie für den nötigen Schub, um vom Boden abzuheben. In beiden Fällen werden in der Gasturbine nur 40 Prozent der Energie des Treibstoffs ausgenutzt. Über die Hälfte geht nach wie vor unter Erzeugung von Treibhausgasen als Wärme verloren. Unter Expertinnen und Experten ist es Konsens, dass hier ohne grundlegenden Systemwechsel kaum Verbesserungen möglich sind.

Eines der zentralen Ziele des neuen Sonderforschungsbereichs liegt daher im Aufbrechen dieser Grenzen. Die Vision der Verantwortlichen besteht in der Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen um mehr als 10 Prozent. Prof. Dr.-Ing. Rudibert King, Sprecher des Großprojekts, erklärt: „Wenn uns 10 Prozentpunkte gelingen, ist dies ein enormes Ergebnis. Es werden weltweit riesige Summe investiert, um nur ganz wenige Prozentpunkte Verbesserung zu erzielen. Wir haben also sehr hoch gesteckte Ziele.“ Die Förderzeit der ersten Phase beginnt am 1. Juli 2012 und soll am 30. Juni 2016 enden. Das Volumen beträgt rund 7 Millionen Euro. Maximal drei Phasen von 12 Förderjahren sind möglich.

Ein wesentlicher Beitrag soll durch den Einsatz eines innovativen Verbrennungskonzeptes erreicht werden, dem sich die Forscherinnen und Forscher in einem der zwei großen Sfb-Bereiche widmen. Dabei erfolgt die Verbrennung nicht wie bisher üblich bei konstantem Druck, sondern bei konstantem Volumen. Aufgrund der Thermodynamik weiß man, dass eigentlich bei einer Wirkung von rund 40 Prozent der Gasturbinenleistung Schluss ist. Aber mit dem neuen Verbrennungsprinzip sind die gewünschten Effizienzsteigerungen möglich. Man kann sie in einem Kolbenmotor, wie man ihn zum Beispiel in Autos finden, leicht realisieren. Eine Gasturbine besitzt keine Kolben, mit denen man die Brennkammer nach außen abschließen könnte. Der Ansatz ist daher, eine Verbrennungsform zu wählen, die schneller voranschreitet als die Ausdehnung des hierdurch erhitzten Gasgemisches. Die Idee ist, dem verbrannten Gas gar keine Chance zur Ausbreitung zu geben, bevor der Verbrennungsvorgang abgeschlossen ist. Andere Wissenschaftler haben schon gezeigt, dass dies mit Detonationswellen möglich ist, die mit vielfacher Schallgeschwindigkeit ablaufen. Der Sonderforschungsbereich will noch einen Schritt weiter gehen, um diese starken Druckstöße zu verringern, indem für eine gleichzeitige Zündung im gesamten Verbrennungsraum gesorgt wird.

Starke Druckpulse, die in die anderen Komponenten einer Gasturbine eintreten, werden dennoch erzeugt. Dieser Problematik widmet sich der zweite Sfb-Bereich. Beispielsweise im Verdichter oder der eigentlichen Turbine können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dafür sorgen, dass man mit den Druckpulsen umgehen kann. Andernfalls könnte die Energiewandlung zusammenbrechen, und das Flugzeug hätte keinen Schub mehr.

Zu jedem Zeitpunkt muss überprüft werden, ob die gesetzten Ziele erreicht sind. Aus diesem Grund hat die Regelungstechnik eine ganz herausgehobene Funktion in diesem Sfb. Das war mit ein Grund, warum man einen mit Prof. King einen Regelungstechniker als Sprecher dieser Initiative bestimmt hat.

Struktur des neuen Sonderforschungsbereichs

Die zwölf Teilprojekte des Sonderforschungsbereichs 1029 sind zwei großen Bereichen zugeordnet: Der eine widmet sich dem Verbrennungsvorgang und der Detonation, der andere erforscht, wie mit den Druckpulsen umgegangen werden kann.

Die TU Berlin ist die Sprecherhochschule des Sfbs. Die Mehrheit der Teilprojekte ist an der TU Berlin angesiedelt; an den Fakultäten Mathematik und Naturwissenschaften, Prozesswissenschaften sowie Verkehrs- und Maschinensysteme. Ein Teilprojekt wird mit der FU Berlin und ein weiteres mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt durchgeführt. Zusätzlich wirkt ein Wissenschaftler von der RWTH Aachen in einem eigenen Gastprojekt mit. Die einzelnen Projekte werden durch ein „Integriertes Graduiertenkolleg“ als strukturiertes Promotionsprogramm ergänzt.

„TurbIn – Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen“, Sprecherhochschule: Technische Universität Berlin, Sprecher: Professor Dr.-Ing. Rudibert King, stellv. Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch und Prof. Dr.-Ing. C. O. Paschereit – außerdem beteiligt: Freie Universität Berlin, RWTH Aachen, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin

Fotomaterial zum Download
www.tu-berlin.de/?id=119827
Weitere Informationen erteilt Ihnen gern: Prof. Dr.-Ing. Rudibert King, TU Berlin, Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik, Tel.: 030 / 314-24100, E-Mail: rudibert.king@tu-berlin.de