003_Leistungsbeschreibung_Rahmenvertrag_GTPrüfstände.pdf

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Ausschreibung einer Rahmenvereinbarung

Konstruktion und Fertigung von Hardware (insbesondere Brennkammern) für atmosphärische und bedruckte Gasturbinenprüfstände

Erstellung von Konzepten, Design, Konstruktion, Detailkonstruktion und Herstellung von neuen Ver- suchsaufbauten; Modifikation und Reparatur, sowie Ersatzteilbeschaffung für bestehende Anordnun- gen

Brennkammern, Brennkammerelemente, Versuchsträger (z.B. Düsen), sowie Peripherie (z.B. Schrau- ben, Dichtungen, …) für atmosphärische Brennkammerprüfstände (mit und ohne optische Zugänge), sowie bedruckte Gasturbinenprüfstände

Leistungsbeschreibung

1. Einleitung .............................................................................................................................. 2
2. Beschreibung der atmosphärischen Brennerprüfstände ........................................................... 3
3. Beschreibung der bedruckten Gasturbinenprüfstände ............................................................. 5
4. Beschreibung Versuchsträger, Brenner, Instrumentierung ........................................................ 7

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1. Einleitung

Das DLR ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Wir betreiben Forschung und Entwicklung in Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR ist im Auftrag der Bundesregierung für die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten zuständig. Zwei DLR-Projektträger be- treuen Förderprogramme und unterstützen den Wissenstransfer.

Global wandeln sich Klima, Mobilität und Technologie. Das DLR nutzt das Know-how seiner 55 Insti- tute und Einrichtungen, um Lösungen für diese Herausforderungen zu entwickeln. Unsere knapp 12.000 Mitarbeitenden haben eine gemeinsame Mission: Wir erforschen Erde und Weltall und ent- wickeln Technologien für eine nachhaltige Zukunft. So tragen wir dazu bei, den Wissens- und Wirt- schaftsstandort Deutschland zu stärken.

Das Institut für Verbrennungstechnik leistet mit seiner Forschung einen Beitrag, die Energieversorgung und Mobilität von Morgen nachhaltig, sicher und zuverlässig zu gestalten. Dabei werden rund 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen von der Vision geleitet, Ver- brennung nicht nur effizienter, sondern sie vor allem so sauber wie möglich zu machen. Dafür wird an mehreren Punkten angesetzt: Das Institut entwickelt und analysiert neue chemische Energieträger für Einsatzbereiche von Energiespeicherung bis Luftfahrt, und designt sie gezielt, um sie klimaverträg- licher zu machen. Gleichzeitig werden die Brennkammern für eine schadstofffreie Verbrennung sowie Kraftwerks- und Antriebssysteme unter den veränderten Bedingungen eines resilienten Energiesys- tems, das auf erneuerbaren Energien beruht, optimiert.

Für die Neu- und Weiterentwicklung von Brennkammertechnologien für Gasturbinen sind experimen- telle Untersuchungen zur Verbrennung, sowohl unter atmosphärischen Bedingungen im Vortest, als auch bei realen Betriebsbedingungen und damit hohem Druck unerlässlich. Forschungsarbeiten an generischen und komplexen Brennern und Brennkammern sind hierbei von zentraler Bedeutung, da sie die Brücke zwischen Untersuchungen an Laborbrennern und technischen Brennern, wie sie in der Industrie genutzt werden, bilden. Bei DLR-VT stehen mehrere Versuchseinrichtungen unterschiedli- cher Größe und Komplexität für experimentelle Untersuchungen zur Verfügung, anhand derer zu- sätzlich umfassende Datensätze für die Validierung von Verbrennungsmodellen gewonnen werden. Neben messtechnisch sehr gut zugänglichen Laborprüfständen für die Durchführung von generischen Experimenten und der Untersuchung von Verbrennungsphänomenen unter genau definierten Rand- bedingungen und bei atmosphärischem Druck, stehen mehrere Gasturbinenprüfstände zur Verfü- gung, in denen Gasturbinen unter realen Bedingungen untersucht werden können.

Der Umfang der Rahmenvereinbarung fokussiert sich auf Gasturbinenbrennkammern, welche je nach Ausführung zumindest aus einem Brennkammergehäuse, einem Brennerkopf, einem Flammrohr, so- wie den jeweiligen Anschlussflanschen bestehen. Je nach Konfiguration können auch weitere Ele- mente, wie Brennstoffplenen, Einzeldüsen, Mischluftbohrungsblenden sowie beweglichen Aktorik- Elementen beinhaltet sein. Zusätzlich sollen periphere Prüfstands-Elemente (wie z.B. Halterungen, Verstrebungen, Führungen, Instrumentierungen, etc.) berücksichtigt werden. In der Rahmenverein- barung sollen für genannte Komponenten die Erstellung von Konzepten, das allgemeine Design, die Konstruktion, die Detailkonstruktion (+ Erstellung von Fertigungszeichnungen und CAD-Modellen), alle für die Herstellung benötigten Engineering-Leistungen (Unterlieferantenauswahl und -betreuung, Qualitätskontrolle, etc.), die Fertigung und bei Bedarf die Montageunterstützung vor Ort eingefasst werden. Darüber hinaus sollen die Modifikation und Reparatur von bestehenden Versuchsaufbauten ebenso beauftragt werden können, sowie die Ersatzteilbeschaffung der inkludierten Elemente.

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Zur Vergabe der Rahmenvereinbarung wird im beigefügten Pflichtenheft beispielhaft der Prüfstand mit den größten Brennkammermaßen herangezogen, sodass eine Abschätzung der maximalen Bau- teilgrößen möglich ist. Dennoch werden in den folgenden Seiten die einzelnen Prüfstände kurz be- schrieben.

2. Beschreibung der atmosphärischen Brennerprüfstände

ATM F400 und Mini ATM Die atmosphärischen Einzelbrennerprüfstände ATM-F400 und Mini-ATM sind Prüfstande für die Un- tersuchung und Entwicklung von Brennern und Brennkammersystemen für Mikrogasturbinen unter atmosphärischen Bedingungen. Mit diesen Prüfständen können die Betriebsparameter des Brenners sehr viel flexibler als in der Mikrogasturbine eingestellt werden und zudem ist es dank einer optischen Brennkammer aus Quarzglas auch möglich, die Flamme zu beobachten und zu vermessen. Der Prüfstand kann einerseits mit Luft für die Verbrennung (diese kann mittels elektrisch betriebener Lufterhitzer vorgewärmt werden) und andererseits auch mit dem gewünschten gasförmigen Brenn- stoff (bspw. Erdgas, Wasserstoff oder auch Gasmischungen) versorgt werden.

Abbildung 1: ATM-F400 Prüfstand

ATM F1000 Der ATM F1000 ist ein atmosphärischer Brennkammerprüfstand, der einen Einbau verschiedener Brennkammern (F1000 - Gasturbine Aurelia A400, F400 - Turbec T100, Brennkammer eines M250 Wellenleistungstriebwerks) ermöglicht. Der atmosphärische Brennkammerprüfstand wird verwendet, um die Brenner zu untersuchen und zu demonstrieren, ohne an die Maschinenrandbedingungen gebunden zu sein. Die Unabhängigkeit von den Maschinenrandbedingungen ermöglicht eine detaillierte wissenschaftliche Untersuchung. Zur Untersuchung kommen verschiedene Messtechniken inklusive Abgasanalytik zum Einsatz. Ein we- sentlicher Forschungsschwerpunkt der Brennkammern ist die Untersuchung verschiedener Brenn- stoffe wie z.B. Wasserstoff, Erdgas, Biogas oder Synthesegase. An diesem Prüfstand kann die Ver- brennungsluft vor dem Brennereintritt ebenfalls auf ca. 600°C vorgewärmt werden.

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Abbildung 2: ATM-F1000 Prüfstand

C30-ATM Prüfstand

Der atmosphärische Einzelbrennerprüfstand (C30-ATM) dient dazu, Verbrennungsprozesse von flüs- sigen Treibstoffen unter atmosphärischen Bedingungen abbilden zu können. Er wird verwendet, um generische Brennerkonzepte wie drall-unterstützte Jet-Brenner oder neue Injektionskonzepte für Flüs- sigtreibstoffe experimentell zu untersuchen. Der Prüfstand kann durch einen Brennstoffvorheizer ebenfalls zur Untersuchung von überhitzter Treibstoffinjektion genutzt werden. Des Weiteren verfügt er über einen weiteren Anbau, der mittels eines jet-stabilisierten Gasbrenners Heißgas ins Abgas des Brennerprüfstands einbringen kann.

Abbildung 3: C30-ATM Prüfstand

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3. Beschreibung der bedruckten Gasturbinenprüfstände

MGT-System

Der Prüfstand „MGT-System“ ist ein Aufbau aus verschiedenen Rohrleitungssträngen, die die realen Komponenten einer Mikrogasturbine mit Komponenten verbinden, die eine SOFC-Brennstoffzelle si- mulieren. Die Anlage dient bestimmungsgemäß dazu, die Kopplung einer Gasturbine mit Hochtem- peraturprozessen und/ oder anderen Energieerzeugungssystemen (wie z.B. SOFC) zu untersuchen. Des Weiteren kann sie dazu genutzt werden, um kleinere Gasturbinenbrennkammern zu testen.

Abbildung 4: MGT-System

T100

Der Prüfstand der Turbec T100PH dient zu Forschungszwecken, insbesondere zur Erprobung der am Institut entwickelten Brennkammersysteme und zur Inbetriebnahme einer selbst entwickelten Steue- rung für die MGT. Bei der T100PH handelt es sich um eine modifizierte Version der Serie 3, die über eine horizontal ausgerichtete Brennkammer verfügt sowie über eine zur Serie abweichende Luftführung am Rekupe- rator. Der Betrieb mit wechselnden Brennkammersystemen und Brenngasen ist wesentlicher Gegen- stand des Forschungsbetriebs. Es besteht die Möglichkeit eine optische Brennkammer an das Power Modul anzuflanschen.

Abbildung 5: T100 Prüfstand

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M250

Der M250 Prüfstand ist ein hybrid-elektrischer Bodendemonstrator (HeBo) basierend auf einer Wel- lenleistungsturbine (Rolls-Royce M250-C20B) mit 320kW Wellenleistung. Dieser Prüfstand dient als Entwicklungsplattform für verschiedene neue Gasturbinen-basierte Kreislaufkonzepte für die Luft- fahrt, wie z.B. des hybrid-elektrischen Bodendemonstrators (HeBo) oder des WET Engine Kreislaufs (WET).

Abbildung 6: M250 Prüfstand

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4. Beschreibung Versuchsträger, Brenner, Instrumentierung

In den Prüfständen werden Versuchsträger und Brennkammern genutzt, deren Einsatz Projekt- oder Gasturbinentyp-spezifisch ist. Für neue Projekte werden entweder vorhandene Gasturbinenbrenn- kammern genutzt oder neue Versionen konzipiert und gefertigt. Dabei ist ein intensiver Austausch zwischen der konstruktiven und der wissenschaftlichen Seite erforderlich, um technisch sinnvolle Pro- totypen zu entwickeln, welche zudem auch hinsichtlich ihrer Fertigbarkeit optimiert sind. Zudem muss versuchsbetrieb-spezifisch die Instrumentierung des Brenners integriert werden, damit die wissen- schaftlichen Ziele der Projekte erreicht werden können.

Daher soll der Rahmenvertrag die Erstellung von Konzepten, das Design, die Detailkonstruktion und Herstellung von neuen Brennkammern, die Modifikation und Reparatur, sowie Ersatzteilbeschaffung bestehender Anordnungen umfassen. Hierbei soll der Fokus auf Brennkammern und Versuchsträgern (z.B. Düsen), sowie der notwendigen Peripherie (z.B. Schrauben, Dichtungen, …) für atmosphärische Brennkammerprüfstände (mit und ohne optische Zugänge), sowie bedruckten Gasturbinenprüfstände liegen.

In diesem Rahmen werden typischerweise entweder Umkehr- oder Gleichstrombrennkammern ein- gesetzt. Die axial durchströmten Gleichstrombrennkammern bestehen typischerweise zumindest aus einem Brennkammergehäuse, einem Brennerkopf mit einer oder mehreren Brennstoffversorgungs- stufen, zwei Anschlussflanschen und einem Flammrohr. Bei den Umkehrbrennkammern hingegen existiert zumeist nur ein Flansch neben den Kernkomponenten (Flammrohr, Gehäuse und Brenner- kopf inkl. Brennstoffstufe – vgl. Abbildung 7). Die Flansche sind so gestaltet, dass sie an die jeweiligen Prüfstände angeschlossen werden können. Zudem können weitere Elemente (zum Beispiel zur Flexi- bilitätssteigerung) in die Brennkammer eingebracht werden. Je nach Prüfstand und Untersuchung, können hierbei z.B. Flammrohr und Gehäuse Quarzglas-Elemente enthalten, um optische Untersu- chungen zu ermöglichen. Des Weiteren können zur Integration weiterer Messtechnik (z.B. Thermo- elemente, Druck- oder Massenstromsensoren) Schnittstellen vorbereitet werden. Die Mehrzahl der hier eingesetzten Umkehrbrennkammern basieren hierbei auf den F400 und F1000 Brennerprototy- pen.

Abbildung 7: F1000 Brennkammer Elemente

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Während bei den atmosphärischen Prüfständen Druck keinen großen Einfluss auf die Konstruktionen hat, kommen bei den Gasturbinenprüfständen höhere Drücke von bis zu 7.5 bar zum Einsatz. Gepaart mit sehr hohen Verbrennungstemperaturen von bis zu 2200 K, müssen im Normalfall hochlegierte Stähle verwendet werden. Komplexe Brenner-Geometrien erfordern zudem teilweise die Anwendung der additiven Fertigung.

Die maximalen Randbedingungen für Versuchsträger sind:

Verbrennungsluft < 1600 g/s Luftvorheiztemperatur < 800°C Druck in Brennkammer < 7.5 bar Thermische Leistung max. 1500 kW Flammentemperatur < 2200 K Kontinuierliche Betriebsdauer 5-8 Stunden pro Tag Max. Amplitude von Druckpulsationen 1 bar

Größenordnungen der wesentlichen Brennkammer - Geometrien:

Größenordnungen der wesentlichen Flammrohr - Geometrien

Die Versuchsträger können neben einfachen Instrumentierungen, wie Thermoelementen und Druck- messanschlüssen, auch mit komplexeren Sensoren und Sonden ausgestattet sein, z.B. zur detaillierten Untersuchung von Thermoakustik oder zur Messung von Abgaskonzentrationsprofilen. Abgasentnah- mesonden sind nach präzisen Auslegungsrechnungen oft mittels additiver Herstellungsverfahren aus- geführt und ermöglichen die simultane Entnahme des Abgases an mehreren Stellen im Abgasstrom.

Die CE-Richtlinien sind stets zu beachten. Insbesondere muss für drucktragende Teile stets eine Ein- stufung nach Druckgeräterichtlinie erfolgen und je nach Einstufung evtl. Prüfungen und Abnahmen durch notifizierte Stellen durchgeführt werden. Des Weiteren ist die CE-konforme Dokumentation für neue Versuchsträger zu erstellen. Diese Arbeiten sind durch den Auftragnehmer in Zusammenarbeit mit den DLR-Mitarbeitern durchzuführen und zu koordinieren.

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