Seit der Firmengründung beschäftigten wir uns mit den verschiedensten Problemen im Bereich der Thermoakustik.

Aktive Instabilitätskontrolle an stationären Gasturbinen

Aufgrund der langjährigen universitären Forschungsarbeit von Dr.-Ing. Jakob Hermann (einer der Firmengründer) auf diesem Themengebiet, gelang es der IfTA GmbH im Jahre 1997 erstmals, diese Technik an großen stationären Gasturbinen mit einer Leistung von über 240 MW der Siemens AG erfolgreich anzuwenden und als Industriestandard zu etablieren. Seit 1997 wurden weltweit fast 50 dieser Systeme an stationären Gasturbinen erfolgreich implementiert. Herausragend ist dabei neben ihrer hohen Effizienz in der Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen unter anderem auch die hohe Systemverfügbarkeit und -zuverlässigkeit, welche zu einer uneingeschränkten Akzeptanz und hohen Zufriedenheit beim Kunden führte.

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IfTA AIC

Kleinfeuerungen

Besonders Heizgeräte, die in Wohnungen und Wohnhäusern eingesetzt werden, können die Lebensqualität stark beeinträchtigen, wenn sie thermoakustische Schwingungen aufweisen. Wir entwickeln kostengünstige und einfach zu installierende Methoden, um entsprechende Probleme zu vermeiden.

Unter Kleinfeuerungen verstehen wir Verbrennungssysteme im unteren kW-Bereich, die z.B. als Gasthermen, Brennwertgeräte, Ölbrenner usw. in Wohnungen, Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Einsatz kommen. Des Weiteren zählen dazu Gasöfen bzw. Bräter für Großküchen, Gasheizungen im Campingbereich und ähnliche Systeme mit einer definierten Brennraumgeometrie, in der sich akustische Eigen­schwingungen etablieren können, sowie einer darin brennenden Flamme.

Vor allem im Bereich der Heizgeräte ist neben einem schadstoffarmen und effizienten Betrieb besonders eine ruhige Verbrennung von Bedeutung, da eine direkte oder indirekte Geräuschentwicklung durch das Verbrennungssystems zu einer z.T. erheblichen Beeinträchtigung der Wohn- und damit auch Lebensqualität führen kann.

Wie für Großsysteme gilt auch für Kleinfeuerungen, dass Verbrennungs­schwingungen von unscheinbaren Umgebungsänderungen verursacht werden können (Gaszusammensetzung, Einbaubedingungen, Arbeitspunkt, Umgebungs­temperatur etc.). Die Auswirkungen dieser Änderungen können vielfältig sein: niederfrequentes Brummen mit fester oder auch variabler Frequenz beim Anfahren, plötzliches, kurzzeitiges Auftreten von Instabilitäten, verursacht z.B. durch das Schließen einer Türe (und dem damit verbundenen Druckstoß), hochfrequentes Pfeifen (etwa 800Hz, 120dB) beim Betrieb in einem bestimmten Arbeitspunkt, etc.

Es ist selbstverständlich, dass ein entsprechendes Verhalten von Verbrennungs­systemen für den Hersteller nicht akzeptabel ist. Meistens wird während der Planungs- und Entwicklungsphase nicht auf die Optimierung thermoakustischer Eigenschaften des Gerätes geachtet, was dazu führen kann, dass erst im Prototypenstadium oder sogar erst in der Testphase vor der Markteinführung eine Tendenz zu Verbrennungs­instabilitäten entdeckt wird. Dann müssen schnell passive Maßnahmen entwickelt werden, die einfach und kostengünstig eingebaut werden können, ohne dass das Gesamtkonzept des Brenners verändert wird.

In mehreren Projekten hat die IfTA GmbH für verschiedene namhafte Hersteller erfolgreich Lösungen entwickelt, die die Verbrennungsinstabilitäten in den verschiedenen Geräten dämpfen konnten. Nach einer experimentellen und numerischen Untersuchung des Systems in unserem Labor bzw. am Computer und damit verbunden dem genauen Verstehen der Instabilitätsursachen, konnten passive Maßnahmen entwickelt werden, welche die Akustik so verstimmten, dass eine positive Einkopplung der Verbrennung in die Akustik nicht mehr möglich war. Meist wurden verschiedene Maßnahmen entwickelt (Dämpfer, Resonatoren usw.), so dass der Hersteller verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung hatte, das instabile Verhalten des Systems zu vermeiden.

Neben der Entwicklung solcher effizienten „Schnelllösungen", bieten wir natürlich auch eine kompetente Beratung und Begleitung während der Planungs- und Entwicklung­sphase an, so dass entsprechende Probleme in der Testphase erst gar nicht auftreten können.

Es ist selbstverständlich, dass wir entsprechende Untersuchungen und Informationen aufgrund der Brisanz der Thematik absolut vertraulich behandeln. Deshalb verzichten wir an dieser Stelle auch ganz bewusst darauf, konkretere Beispiele oder Namen unserer Kunden zu nennen. Wir sind sicher, dass Sie dafür Verständnis haben.

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Großfeuerungen

Die Leistung dieser Brenner liegt im oberen kW bis unteren MW Bereich und sie werden z.B. in größeren Büros oder Kaufhäusern, in Stadien oder in Flughäfen eingesetzt. Sie besitzen keine eigene Brennkammer mehr, sondern werden mit verschiedensten Kesseln anderer Hersteller betrieben. Das bedeutet, dass die Brenner in unterschiedlichen Geometrien, unter variierenden Bedingungen ein stabiles Verhalten aufweisen müssen. Es ist deshalb wichtig, die Schwingungsneigung der Brenner genau zu kennen, um deren Instabilitätsrisiko beim Einsatz in verschiedenen Geometrien abschätzen zu können. Entsprechende Untersuchungen werden von der IfTA GmbH durchgeführt.

Im Vergleich zu Kleinfeuerungen, d.h. z.B. Brennwertgeräten, Heizgeräten etc., die eher für den Hausgebrauch bestimmt sind und komplett z.B. mit Brenner, Brennkammer, Wärmetauscher und Abgassystem angeboten werden, werden bei Großfeuerungen Komponenten verschiedener Hersteller individuell zusammengefügt. Die vom Brennerhersteller gefertigten Produkte kommen so etwa mit Kesseln eines anderen Herstellers zum Einsatz. Zwar hängen Verbrennungs­instabilitäten immer vom Gesamtsystem, d.h. von Brenner, Brennkammer, Abgas- und Ansaugsystem ab, allerdings lassen sich bestimmte Tendenzen zu einem instabilen Verhalten bereits direkt am Brenner erkennen. So werden etwa durch auf strömungsmechanische Eigenschaften basierende Phänomene bei der Verbrennung bestimmte Frequenzkomponenten stärker als andere erzeugt. Liegen diese Bereiche in der Nähe einer akustischen Eigenfrequenz eines Kessels und sind darüber hinaus andere ungünstige Bedingungen erfüllt, so ist eine Kopplung zwischen Verbrennung und Akustik wahrscheinlich, d.h. Verbrennungsinstabilitäten können angeregt werden.

Die IfTA GmbH bietet verschiedenste Untersuchungen zu den oben beschriebenen Ursachen von Verbrennungsinstabilitäten an. Diese Untersuchungen umfassen Messungen direkt an der betroffenen Anlage oder an Versuchsständen unserer Kunden. Zur Unterstützung der experimentellen Untersuchungen des Phänomens ist außerdem eine numerische Simulation des akustischen Verhaltens der Kesselgeometrien zu empfehlen.

Als Kunde können Sie sich hier, wie in den anderen Bereichen auch, auf eine kompetente, schnelle und kostengünstige Bearbeitung Ihrer Probleme verlassen. Dass wir Ihr Problem vertraulich behandeln ist für uns selbstverständlich.

Besonders Heizgeräte, die in Wohnungen und Wohnhäusern eingesetzt werden, können die Lebensqualität stark beeinträchtigen, wenn sie thermoakustische Schwingungen aufweisen. Wir entwickeln kostengünstige und einfach zu installierende Methoden, um entsprechende Probleme zu vermeiden.

Unter Kleinfeuerungen verstehen wir Verbrennungssysteme im unteren kW-Bereich, die z.B. als Gasthermen, Brennwertgeräte, Ölbrenner usw. in Wohnungen, Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Einsatz kommen. Des Weiteren zählen dazu Gasöfen bzw. Bräter für Großküchen, Gasheizungen im Campingbereich und ähnliche Systeme mit einer definierten Brennraumgeometrie, in der sich akustische Eigen­schwingungen etablieren können, sowie einer darin brennenden Flamme.

Vor allem im Bereich der Heizgeräte ist neben einem schadstoffarmen und effizienten Betrieb besonders eine ruhige Verbrennung von Bedeutung, da eine direkte oder indirekte Geräuschentwicklung durch das Verbrennungssystems zu einer z.T. erheblichen Beeinträchtigung der Wohn- und damit auch Lebensqualität führen kann.

Wie für Großsysteme gilt auch für Kleinfeuerungen, dass Verbrennungs­schwingungen von unscheinbaren Umgebungsänderungen verursacht werden können (Gaszusammensetzung, Einbaubedingungen, Arbeitspunkt, Umgebungs­temperatur etc.). Die Auswirkungen dieser Änderungen können vielfältig sein: niederfrequentes Brummen mit fester oder auch variabler Frequenz beim Anfahren, plötzliches, kurzzeitiges Auftreten von Instabilitäten, verursacht z.B. durch das Schließen einer Türe (und dem damit verbundenen Druckstoß), hochfrequentes Pfeifen (etwa 800Hz, 120dB) beim Betrieb in einem bestimmten Arbeitspunkt, etc.

Es ist selbstverständlich, dass ein entsprechendes Verhalten von Verbrennungs­systemen für den Hersteller nicht akzeptabel ist. Meistens wird während der Planungs- und Entwicklungsphase nicht auf die Optimierung thermoakustischer Eigenschaften des Gerätes geachtet, was dazu führen kann, dass erst im Prototypenstadium oder sogar erst in der Testphase vor der Markteinführung eine Tendenz zu Verbrennungs­instabilitäten entdeckt wird. Dann müssen schnell passive Maßnahmen entwickelt werden, die einfach und kostengünstig eingebaut werden können, ohne dass das Gesamtkonzept des Brenners verändert wird.

In mehreren Projekten hat die IfTA GmbH für verschiedene namhafte Hersteller erfolgreich Lösungen entwickelt, die die Verbrennungsinstabilitäten in den verschiedenen Geräten dämpfen konnten. Nach einer experimentellen und numerischen Untersuchung des Systems in unserem Labor bzw. am Computer und damit verbunden dem genauen Verstehen der Instabilitätsursachen, konnten passive Maßnahmen entwickelt werden, welche die Akustik so verstimmten, dass eine positive Einkopplung der Verbrennung in die Akustik nicht mehr möglich war. Meist wurden verschiedene Maßnahmen entwickelt (Dämpfer, Resonatoren usw.), so dass der Hersteller verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung hatte, das instabile Verhalten des Systems zu vermeiden.

Neben der Entwicklung solcher effizienten „Schnelllösungen", bieten wir natürlich auch eine kompetente Beratung und Begleitung während der Planungs- und Entwicklung­sphase an, so dass entsprechende Probleme in der Testphase erst gar nicht auftreten können.

Es ist selbstverständlich, dass wir entsprechende Untersuchungen und Informationen aufgrund der Brisanz der Thematik absolut vertraulich behandeln. Deshalb verzichten wir an dieser Stelle auch ganz bewusst darauf, konkretere Beispiele oder Namen unserer Kunden zu nennen. Wir sind sicher, dass Sie dafür Verständnis haben.

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Kraftwerk

Aktive Verdichterkontrolle

Interdisziplinäre Forschung und Entwicklung auf hohem Niveau konnten wir im Rahmen eines vom Freistaat Bayern geförderten Vorhabens erfolgreich betreiben. Nach drei Jahren Projektdauer waren alle anfangs definierten Ziele erfüllt: die Projektpartner ISA der Universität der Bundeswehr München, MTU und IfTA GmbH konnten mit dem durch die IfTA GmbH entwickelten Regler den stabilen Arbeitsbereich des ISA-eigenen Larzac Triebwerkes mit Hilfe einer aktiven Verdichterkontrolle signifikant vergrößern.

Dieses Projekt wurde im Rahmen eines vom Freistaat Bayern geförderten Luftfahrtforschungsprogramms durchgeführt. Projektpartner waren dabei neben der IfTA GmbH die Firma MTU und das Institut für Strahlantriebe ISA der Universität der Bundeswehr in München, die das Projekt initiierte. In dessen Rahmen wurde die Möglichkeit der aktiven Kontrolle von Verdichterinstabilitäten an einer Fluggasturbine untersucht. Ziel der Forschung war es, die Pumpgrenze des am Institut für Strahlantriebe zur Verfügung stehenden Verdichters eines LARZAC 04 C5 Triebwerks mit Hilfe aktiver Maßnahmen, d.h. dem Einsatz eines Reglers, so zu verschieben, dass der stabile Arbeitsbereich vergrößert und damit die Effizienz des Verdichters gesteigert wird. Nach ersten erfolgreichen Regelversuchen anderer Forschungseinrichtungen an reinen Versuchsverdichtern stellte diese Arbeit eine erste Anwendung an einem realen und kompletten Flugtriebwerk dar.

Die IfTA GmbH lieferte bei diesem Projekt die gesamte Reglerhard- und Software und unterstützte die Universität bei der Signalerfassung (Messtechnik, Aufzeichnung) und Auswertung (Analyse, Algorithmen). Außerdem wurden natürlich im Verlauf des Projekts Weiter- und Neuentwicklungen der Hard- und Software durchgeführt, um eine optimierte Regelung zu ermöglichen.

Der Einsatzbereich eines Verdichters wird durch die sogenannte Pumpgrenze beschränkt, die sich beim Phänomen des „Pumpens" durch eine über den gesamten Verdichterquerschnitt umkehrende Strömung äußert. Als schwächere und damit ungefährlichere „Vorstufe" dieses Phänomens können auch partielle, um den Verdichterumfang umlaufende, Strömungsstörungen, auch rotierende Ablösungen genannt, auftreten.

Grundgedanke der aktiven Regelung eines Verdichters ist es nun, sogenannte Vorläufer eines Pumpstoßes bzw. einer rotierenden Ablösung rechtzeitig zu detektieren und über einen Regler und ein Stellglied das System so zu beeinflussen, dass es nicht zu diesem unerwünschten Betrieb des Verdichters kommt. Als günstig hat sich eine modulierte Lufteindüsung am Schaufelspitzenbereich der ersten Verdichterstufe erwiesen, da genau dort die Instabilitäten ausgelöst werden.

Aufbauend auf einer modifizierten Form des bei der aktiven Instabilitätskontrolle von Verbrennungsschwingungen an stationären Gasturbinen erprobten AIC-Systems wurden im Verlauf des Projekts verschiedene Reglerstrategien entwickelt, die für die jeweilige Problemstellung optimiert waren. Mit Hilfe dieser Strategien sowie einer speziell angepassten Aktuatorik konnte in dem sich über drei Jahre erstreckenden Forschungsprojekt ein erfolgreicher Nachweis für die Funktionsfähigkeit der aktiven Verdichterstabilisierung erbracht werden. Insgesamt gelang es, über den kompletten Drehzahlbereich des Verdichters die Pumpgrenze aktiv zu verschieben, wodurch die Möglichkeit der industriellen Anwendung dieser innovativen Technik belegt wurde. Im Vergleich zu einer reinen Konstanteinblasung war die aktive Stabilisierung effizienter, d.h. der gleiche Stabilisierungseffekt konnte mit weniger Luft erzielt werden bzw. bei gleichem Luftverbrauch wurde der stabile Arbeitsbereich über den mit Konstanteinblasung erreichbaren Bereich hinaus vergrößert.

Der innovative und forschungsrelevante Gehalt dieser Kollaboration wird durch zwei gemeinsame Veröffentlichungen auf internationalen Fachtagungen widergespiegelt.

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Verdichter