3.2.2 Das Betriebsverhalten der Brennkammer

Brennkammern lassen sich auch nach dem angewandten Verbrennungsprinzip unterscheiden. Die konventionelle Brennkammer weist im Bereich des Brennkammerdoms, wo die Kraftstoffeinspritzung bei relativ geringer Luftzumischung erfolgt, eine besonders heiße Verbrennungszone auf (ca. 2500 °K). Hier wird ein Großteil der unerwünschten Stickoxide gebildet (Bild 3.2.1- 1). Die Luftzumischung im hinteren Brennkammerbereich führt zu einem Abfall der Gastemperatur auf ca. 1600 °C. Ein weiterer Nachteil der konventionellen Verbrennung ist die relativ schlechte Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt ( "Bild 3.2.3-2"). Brennkammern vom Dry-LowNOx-Typ arbeiten nach dem Vormischprinzip ( "Bild 3.2.2-2" und "Bild 3.2.1-5.1"). Kraftstoff wird mit viel Luft vorgemischt und bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von ca. 1700 °C verbrannt. Da unterhalb von 1700 °C die NOx-Bildung gering ist, sind solche Brennkammern diesbezüglich schadstoffarm. Dieser Brennkammertyp erzeugt am Brennkammeraustritt eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung.

Eine Möglichkeit den Schadstoffausstoß (NOx-Bildung) zu verringern, ist die Einspritzung von Wasser oder Wasserdampf (Bild 3.2.2- 3). Auch die Leistung der Maschine lässt sich mit dieser Maßnahme bis über 50% und der Wirkungsgrad bis über 20% erhöhen. Die Wassereinspritzung kann im Heiß-teilbereich zu umfangreichen Schäden führen (Lit 3.2-14). Es wird über Rissbildung und Verzug an den Innenwänden (engl. „liner“) der Brennkammern berichtet. Diese Rissbildung wird auf Thermoermüdung ( "Bild 3.3-16") zurückgeführt. Schnelle Aufheizung infolge erhöhter Brennkammerbelastung (hohe Leistung!) und schnelle Abkühlung durch das injizierte Wasser erzeugen hohe Wärmespannungen. Eine Verlängerung der Flamme als Folge der Wassereinspritzung kann die hinteren Bennkammerpartien und die Gasführungen zur Turbine (engl. „transition piece“, „transition duct“) thermisch überlasten. Als Gegenmaßnahme wurden keramische Wärmedämmschichten (Thermobarrieren, "Bild 3.2.3-4" und "Bild 3.2.3-5") eingeführt. Ob diese Maßnahme auf die Dauer erfolgreich war, ist nicht bekannt. Bei den erforderlichen Wassermengen besteht die Gefahr, dass das Wasser nicht schnell genug verdampft und als Tropfen die Turbinenbeschaufelung erodiert. Zur Anwendung kommen besondere Kraftstoffdüsen. Um die zentrale Kraftstoffbohrung ist ein Ring schräger Bohrungen angeordnet. Wasser oder Dampf strömen als “Kegeldusche“ aus. Die als optimal erkannte Wassermenge liegt in Relation zum Kraftstoffzufluss für flüssiges Wasser bei unter 1, für Wasserdampf bei 2,5. Die übrigen Schadstoffe wie CO lassen sich nicht in gleicher Weise wie NOx reduzieren.

Abschließend sei angemerkt, dass trotz aller heute verfügbaren analytischen Mittel eine Brennkammerentwicklung ohne Empirie und ohne beachtlichen Versuchsaufwand nicht möglich ist. Brennkammerversuche sind teuer und zeitraubend. Letztendlich sagt erst der sichere Langzeitbetrieb in der Maschine etwas über den Erfolg aus. Für den Investor ist also bei der Einführung neuer Brennkammerkonzepte und Konstruktionen eine gewisse Vorsicht geboten. Eigenmächtige, auch scheinbar geringfügige Veränderungen sind unbedingt zu unterlassen.Das gilt gerade auch für Reparaturen außerhalb der vom OEM empfohlenen Grenzen.

"Bild 3.2.2-1": Die Einführung von Technologien zur Minimierung der Emissionswerte (Lit 3.2-8) im Abgas, insbesondere von Stickoxiden (NOx), beeinflusst eine Vielzahl anderer Bereiche (linkes Schaubild). Der schwarze Bereich zeigt die Einschätzung des Autors für typische, derzeit zu erwartende Eigenschaften. Liegen diese in der grauen “Problemzone“, sind, abhängig vom angewandten Verfahren, Nachteile gegenüber Maschinen ohne solche Einrichtungen zu erwarten. Im rechten Diagramm ist das typische Emissionsverhalten (Lit 3.2.2-9) einer nicht mit Sondereinrichtungen auf Schadstoffarmut optimierten Brennkammer dargestellt. Eine Leistungserhöhung auf Volllast geht hier mit einem Anstieg der Flammtemperaturen in der Brennkammer einher. Das führt zu verstärkter Stickoxidbildung. Gleichzeitig intensiviert sich die Oxidation des CO und damit dessen Abnahme. Bei Teillast ist das umgekehrte Verhalten zu erwarten. Die Bildung der wichtigen Schadstoffe ist somit gegenläufig ( "Bild 3.2.1-3"). Um ein Optimum zu erreichen, müssen Kompromisse gesucht werden. Dazu sind mehrere Techniken geeignet (Lit 3.2-8 und Lit. 3.2-5), die in erster Linie die NOx-Bildung in der Brennkammer verringern. Man bezeichnet sie, im Unterschied zu Maßnahmen der Abgasbehandlung, als Primärmaßnahmen.

In erster Linie handelt es sich um:

Die Primärzone (Bild 3.2.1- 1) erhält mehr Luft. Die Verbrennungstemperatur lässt sich so auf ein ausreichend niedriges Niveau absenken. Der Anstieg des CO-Anteils muss mit einer längeren Verweilzeit in der heißen Zwischenzone durch Oxidation vermieden werden.
Einspritzung von Wasser bzw. Dampf ( "Bild 3.2.2-3"): Eine sehr effektive NOx-Reduktion kann Einspritzen von Wasser oder Dampf in die Primärzone sein. Die Temperatur wird so auf ein geeignetes Niveau gesenkt. Probleme können Brennkammerschwingungen (Flamminstabilitäten, siehe "Bild 3.2.2-5") und erhöhte CO-Emission machen.
Vormischbrennkammern ( "Bild 3.2.1-5.1" und "Bild 3.2.2-2"): Brennstoff und Verbrennungsluft werden vor Eintritt in die Primärzone gut vermischt (sog. DLN = Dry Low NOx Verfahren). Der hohe Luftüberschuss sorgt für ein niedriges Temperaturniveau. Eine ausgeprägte Mischzone für das Heißgas ist in der Brennkammer nicht vorhanden. Auch diese Technik muss die Neigung zu Brennkammerschwingungen vermeiden.

"Bild 3.2.2-2": Die thermische NOx Bildung ist besonders von der Flammtemperatur in der Brennkammer und der Verweilzeit bei der Verbrennung im Bereich hoher Temperaturen (oberhalb ca. 1500 °C, "Bild 3.2.1-3") abhängig. Dargestellt ist die DLE (Dry Low Emissions) Brennkammer einer Derivat- Industriegasturbine im Leistungsbereich von 50 MW. (Lit 3.2-13). Solche Anordnungen mit besonderer Luftzufuhr zur NOx-Reduzierung kommen zu Lasten einer Wasser- bzw. Dampfeinbringung verstärkt zum Einsatz. Dieses „trockene“ Prinzip, beruht auf einer Vormischung ( "Bild 3.2.1-5.1") der Verbrennungsluft mit dem Kraftstoff (Gas). So ließen sich bei Gasbetrieb die NOx- und CO-Emissionen äußerst niedrig halten ( "Bild 3.2.2-1"). Die niedrigen NOx-Werte werden nach Angaben des Herstellers dadurch erreicht, dass die gleichmäßige Vermischung von Kraftstoff und Luft die Flammtemperatur innerhalb der zulässigen (niedrigen) Temperaturen hält. Eine relativ lange Verweildauer in der voluminösen Ringbrennkammer und die fehlende Filmkühlung der Reaktionszone mindert den CO-Gehalt mit einer verbesserten Verbrennung. Einen besonderen Beitrag leisten die heißen Innenwandungen der Brennkammer. Dazu sind neu entwickelte, temperaturstabile Wandstrukturen “A“ erforderlich. Sie werden außen vom druckaufnehmenden Gehäuse “B“ und von einem Innengehäuse “C“ getragen. Hier bieten sich Schindelkonstruktionen mit keramischen Beschichtungen an ( "Bild 3.2.1-4"). Der Brennkammerdom “E“ hat auf der Flammseite ebenfalls keramische Wärmedämmschichten. Er besteht aus mehreren (hier drei) in konzentrischen Ringen angeordneten Vormischern, die durch Ringwände “F“ gegeneinander abgegrenzt sind. Diese Ringzonen verhalten sich bei niedriger Leistung wie getrennte Bereiche. Im Luftstrom vor dem Dom befinden sich hohle Axialschaufeln “D“. Durch sie wird das Verbrennungsgas eingebracht. Die Verwirbelung der Strömung in dieser Zone unterstützt die Flammstabilität, um die typischen Instabilitäten bei niedrigen Flammtemperaturen ( "Bild 3.2.2-5") zu beherrschen.

"Bild 3.2.2-3": Das Einbringen von Wasser und Dampf kann die NOx-Entstehung beim Verbrennungsvorgang merklich vermindern (Diagramm oben links) und die Effektivität des Kühlluftstroms verbessern (Lit 3.2-11 und Lit. 3.2-12). Dabei werden auch die Leistungsdaten der Maschine (bis ca. 50 % Leistungssteigerung) und der Wirkungsgrad (Verbesserung bis ca 20%) positiv beeinflusst. Trotz dieser Vorteile ist dieses Verfahren nicht unproblematisch ( "Bild 3.2.2-4").

Erdgas, in Kombination mit Dampfeinblasung, hat sich bezüglich der meisten Emissionsdaten als besonders umweltschonend und als ein günstiger Kompromiss gezeigt. Dampfeinblasung (Lit 3.2-11) in die Brennkammer geschieht mit Hilfe besonderer Kraftstoffdüsen (Detailskizze) oder im Bereich des Verdichteraustrittsgehäuses. Der eingeblasene Wasserdampf muss besondere Reinheit aufweisen. Feste Partikel dürfen üblicherweise 0,02 mm nicht überschreiten. Die Gesamtverunreinigung an Natrium und Kalium aus Kraftstoff, Luft und Dampf soll wegen der schädigenden Wirkung auf die Heißteile (z.B. Sulfidation, "Bild 3.4-3") unter 200 ppm liegen.

Die Einbringung von flüssigem Wasser in das Verbrennungssystem kann durch Zumischung zum Kraftstoff und/oder Einspritzung in Verdichter und/oder Brennkammer erfolgen.

Die schwarzen Kreisflächen entsprechen dem jeweils an dieser Stelle eintretenden Dampfanteil (siehe nebenstehende Prozentangaben) am gesamten Massendurchsatz (ca. 7%).

"Bild 3.2.2-4": Wo Licht ist, ist auch Schatten: Die Einblasung von Wasserdampf oder Einspritzung von Wasser ( "Bild 3.2.2-3") führt zwar zu einer deutlichen Leistungssteigerung, beeinflusst aber auch die Komponenten der Gasturbine.

Allgemeine Probleme bei Wasser- und Dampfeinbringung:

Das dynamische Verhalten der Brennkammer wird problematisch. Es können Flamminstabilitäten bzw. Gasschwingungen, ( "Bild 3.2.2-5") auftreten. Diese Schwingungen schädigen die Komponenten auf vielfältige Weise:
- Verstärkter Reibverschleiß an den Steckverbindungen der Heißteile wie Flammrohre ( "Bild 3.2.3-1" und "Bild 3.2.3-2") , Turbinenleitapparat, Gehäuse.
- Risse und Brüche durch Schwingermüdung an Gasführungsteilen und der Beschaufelung. Bei Brennkammern mit einer „Schindelauskleidung“ ( "Bild 3.2.1-4") kann es zum Ablösen der Schin- deln kommen.
- Der Rotor wird zu Schwingungen angeregt werden.

Die Entstehung unerwünschter, unverbrannter Kohlenwasserstoffe (UHC) und von CO ( "Bild 3.2.1-3" und "Bild 3.2.2-1") wird begünstigt. Dieses Verhalten begrenzt die Wasserzugabe.

Ist der eingeblasene Wasserdampf bzw. das Wasser verschmutzt bzw. weist es ablagerungsbildende Bestandteile auf (siehe Forderungen in "Bild 3.2.2-3"), können Heißteile geschädigt werden.
Ablagerungen sind in der Lage, Austrittsöffnungen der Kühlluft zu blockieren und so die Überhitzung der Heißteile zu begünstigen ( "Bild 3.3-2").
Bestandteile der Ablagerungen können mit keramischen Wärmedämmschichten reagieren und/oder die zum Wärmedehnungsausgleich erforderlichen Segmentierungsrisse zusetzen ( "Bild 3.2.3-5" und "Bild 3.2.3-7").
Enthalten Verunreinigungen Schwefel (z.B. Gips in hartem Wasser), besteht die Gefahr der Sulfidation ( "Bild 3.4-2" und "Bild 3.4-3"), insbesondere auch in der Niederdruck- bzw. Leistungsturbine.

Ist eingespritztes Wasser nicht vollständig verdampft oder entstehen aus Wasserverunreinigungen abrasive Partikel, können Wärmedämmschichten beschleunigt erodieren ( "Bild 3.2.3-8"). Erosion kann auch die dünnen Diffusions-Schutzschichten oder schützende Oxidschichten schneller abzehren und damit die Oxidation merklich beschleunigen.

Wird das Druckniveau im Gasstrom erhöht, ist der Kühlluftaustritt behindert. Gleichzeitig wird der Wärmeübergang durch den Wasserdampf und den Druckanstieg verbessert. Damit ist zumindest örtlich eine erhöhte Bauteiltemperatur zu erwarten. Dies beeinflusst die Lebensdauer der Heißteile merklich (siehe Merksatz Seite 2.2-9 und "Bild 2.3-2").
Verändert sich das Druckniveau in der Maschine, hat dies eine Auswirkung auf die axialen Lagerschübe ( "Bild 2.5-1").

Werden im Heißgasbereich oxidationsempfindliche Werkstoffe verwendet, kann es zu verstärktem Angriff kommen. Ein Sonderfall sind Hartstoffpartikel aus SiC-Keramik. Diese werden auf den Schaufelspitzen deckbandloser HD-Turbinenrotorschaufeln angebracht, um die harten Anlaufschichten beim Anstreifen abzutragen. SiC geht durch Wasserdampf in Gasform über. Damit ändert sich das Anstreifverhalten der Schaufelspitzen signifikant.

"Bild 3.2.2-5" (Lit 3.2-22 und Lit. 3.2-23): Für Verbrennungsvorgänge sind niederfrequente Druckschwingungen im Bereich von 50-120 Hz (engl. „rumble“) typisch. Sie treten besonders im Grenzbereich stabiler Verbrennung auf ( "Bild 3.2.1-3"). Diese Bedingungen liegen bei großer Luftmenge und niedriger Verbrennungstemperatur vor, um die NOx-Bildung zu minimieren. Gasschwingungen verursachen unterschiedliche Probleme:

Eine für die Passagiere äußerst störende Geräuschentwicklung
Vibrationen, die zur Schwingermüdung von Brennkammer- und Turbinenkomponenten führen können (Beispiel 2.6-5).
Verstärkter Schwingverschleiß
Wirkungsgradverschlechterung
Extreme Druckschwankungen, die Verdichterpumpen auslösen können.

Obwohl die Erfahrung zeigt, dass bei bestimmten Brennkammer- und Kraftstoffdüsen-Konfigurationen selbsterregende Druckschwingungen häufiger auftreten, lässt sich das nicht befriedigend sicher vorhersagen.

Beschreibung des Erregungsmechanismus von Gasschwingungen in Brennkammern mit Kraftstoffdüsen:
Der Kraftstoff wird mit Hilfe von Düsen in die Brennkammer eingespritzt. Verdichterluft dient zum Versprühen des Kraftstoffs (z.B. beim Prinzip der „air spray nozzle“, Lit 3.2- 2).

Im Leerlauf ist der Druck in der Luft- und Kraftstoffzufuhr vergleichsweise niedrig. Dies führt dazu, dass die Massenströme sensibler auf Druckschwankungen in der Brennkammer reagieren. Weil die Versprühung des Kraftstoffs stark vom Kraftstoffdurchsatz und der Luftgeschwindigkeit abhängt, ändert sich mit den Druckschwankungen auch die Größenverteilung der Kraftstoff-Tröpfchen. Ein Abfall des Brennkammerdrucks beschleunigt die zuströmende Luft und es entstehen kleinere Tröpfchen. Die Tröpfchengröße bestimmt die für die Verdampfung des Kraftstoffs notwendige Zeit. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei der relativ niedrigen Lufttemperatur im Leerlauf (langsamere Verdampfung).
Kleine Tröpfchen verstärken mit ihrer schnellen Verdampfung die Verbrennung und intensivieren die Wärme-Entstehung. Als Folge der niedrigen Geschwindigkeit des Gasstroms im Leerlauf, verlängert sich die Verweilzeit und es wird in der Mischzone mehr Energie abgegeben. Ungleichmäßigkeiten lassen heiße Bereiche (engl. „hot spots“) entstehen. Sie bewegen sich mit dem Gasstrom fort. Der erhöhte Widerstand beim Durchtritt des größeren Gasvolumens (höhere Strömungsgeschwindigkeit) am engen Querschnitt des Brennkammeraustritts (Phase „1“) löst einen Druckimpuls aus. Dieser bremst den Luftstrom und die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs in die Brennkammer. An der Kraftstoffdüse (air spray nozzle) bildet sich bei flüssigem Kraftstoff ein kleinerer Sprühkegel mit größeren Tröpfchen (Phase“2“). Die Verbrennung verlangsamt sich und es entsteht eine kalte Zone („cold spot“, Phase „3“). Tritt ein „cold spot“ aus der Brennkammer durch den Turbinenleitapparat, kommt es wegen des kleineren Gasvolumens zu einem Abfall des statischen Drucks in der Brennkammer. Erhöhte Sprühluft-Geschwindigkeit, ein großer Sprühkegel und kleine, die Verbrennung gut unterstützende Kraftstofftröpfchen sind die Folge (Phase „4“). Wieder kann sich ein „hot spot“ bilden, d.h. es wiederholen sich die Bedingungen der Phase „1“. Bei geeigneter Phasenlage der Druckschwankungen kann sich die Schwingung selbst verstärken.

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