Bij een gewoon fornuis hoor je het al...vlammen produceren geluid. In moderne gasturbines waar twaalf branders van per stuk twintig megawatt (gelijk aan duizend gewone huis-cv's) loeien, is laagfrequente herrie dan ook een ontwerpprobleem van formaat. Het geluid plant zich zelfs voort tegen de vlam in naar de brander zelf. De fluctuaties in luchtdruk kunnen de nauwkeurig gedefinieerde inlaatcondities van lucht en brandstof verstoren. Daardoor verlaagt het rendement. Soms zijn de verstoringen zelfs zo groot dat men het verbrandingsproces noodgedwongen stillegt. Bovendien gaat de wand van de verbrandingskamer trillen, en dat is funest voor de levensduur van de gasturbine.
In het Europees onderzoeksproject Desire werken onderzoeksgroepen uit Duitsland, Frankrijk, Spanje en Nederland samen om dit thermo-akoestische fenomeen beter te begrijpen. In ons land buigen kennisinstituten als de UT en Kema zich over deze betrekkelijk fundamentele vraagstelling. Het Duitse lucht- en ruimtevaart instituut doet mee evenals het Franse Cerfacs, dat het numerieke rekenwerk van het verbrandingsproces uitvoert. Siemens Power Generation is de projectleider van dit grootschalige project. De hoop is dat ontwerpers van gasturbines in de toekomst rekening kunnen houden met de kennis die men hier opbouwt, in hun pogingen om nog efficiënter elektriciteit en energie te genereren.
Arme vlam. Projectleider van Desire bij de UT is dr. ir. Jim Kok van thermische werktuigbouwkunde. De UT kreeg een kleine 800.000 euro voor onderzoek in dit project. Samenwerking is er met de vakgroep technische mechanica, waar ir. Rob Huls onderzoek doet naar de trillingen van de wand in de verbrandingskamer.
Promovendus ir. Jaap van Kampen, eveneens van thermische werktuigbouwkunde, was de laatste maanden samen met collega Nutte Dijkstra druk bezig met het bouwen van een drie meter hoge experimenteeropstelling. `Daarmee kunnen we de vlammen in moderne energiecentrales goed simuleren,' zegt Van Kampen. `Om schoon en zuinig te verbranden mengt men tegenwoordig steeds meer lucht bij het brandstofmengsel. Zo krijg je een zogenaamde arme vlam die met 1400 graden Celsius relatief koud brandt. Die temperatuur klinkt voor een leek hoog, maar in feite zit de vlam dan tegen zijn dooflimiet aan. Vooral bij arme verbranding is de vlam gevoelig voor verstoringen door geluid. In onze testopstelling warmen twee heaters de lucht voor tot 300 graden Celsius, anders werkt het verbranden onder arme condities niet.'
Bij de bouw van de opstelling ging Van Kampen niet over één nacht ijs. Veel vooronderzoek was nodig om tot een goed ontwerp te komen van de opstelling zoals die nu onder het `plofdak' staat van het Klein Horst lab voor verbranding en biomassa-onderzoek, dat deze week officieel geopend wordt.
Van Kampen: `De brander is bovenin de opstelling geplaatst en kan een vermogen halen van een halve megawatt bij een maximale werkdruk van vijf bar. De buitenwand van de verbrandingskamer is tien millimeter dik. Over de hele lengte van de verbrandingskamer zit een tussenwand, een liner. Die is veel dunner en vangt alleen het temperatuurverschil op. Tussen de twee wanden stroomt continu koellucht.'
Kijkglas. Opvallend onderdeel is een venster van kwartsglas met een oppervlakte van 300x150 millimeter en een dikte van 30 millimeter. Van Kampen schat de prijs van het venster op 3500 euro, één van de duurste onderdelen van de opstelling die naar schatting 60.000 euro kost. Door dat speciale venster kan collega-onderzoekster dr. Genie Stoffels laserexperimenten uitvoeren: van buitenaf, door het venster, rechtstreeks aan de vlam zelf.
Op diverse plaatsen in de experimenteer-opstelling zijn temperatuur-, druk- en massflow-metingen uitvoerbaar terwijl de brander in actie is. De werkdruk is regelbaar met een speciale klepconstructie die aan het eind, vlak voor de schoorsteen, is geplaatst. Deze mag niet te warm worden. Daarom is een koellucht-voorziening aangebracht waarbij een hogedrukreiniger is omgebouwd tot onderdeel van de koeler.
Van Kampen: `Veel ontwerp-concepten zijn het afgelopen jaar gepasseerd, want zo'n dure opstelling moet in één keer goed zijn. Leverancier is SRI uit het Friese Veenwouden. Dit bedrijf is gespecialiseerd in roestvrijstalen installaties en bovendien is men gecertificeerd om volgens de hoogste veiligheidseisen te werken.
`De afgelopen weken heb ik veel gesleuteld. Het bleek dat een paar onderdelen voor nadere specificatie teruggestuurd moesten worden naar de leverancier. Ook misten we nog wel eens een speciale aansluit-nippel of dat soort kleine dingetjes. Bij het aansluiten van alle onderdelen kwamen we af en toe zaken tegen waar we nog niet aan hadden gedacht.
`Ik hoop dat de opstelling binnen twee weken operationeel is, eerst met een rustige luchtstroom, gewoon bij één bar. Als dat werkt gaan we een borrel drinken. Daarna kunnen de thermo-akoestische experimenten beginnen. Over 1,5 jaar zit mijn promotie-onderzoek er alweer op. Voor die tijd wil ik nog een paar goede experimenten met de opstelling uitvoeren. Daarmee kan ik toetsen of het theoretische model dat ik al af heb, overeenstemt met de praktijk.'
Egbert van Hattem
De 3-meter hoge DESIRE test-opstelling. Bovenin vindt de verbranding plaats. Door de slangen stroomt koude lucht, wat zorgt voor de noodzakelijke koeling van de opstelling.
Jim Kok (rechts) en Jaap van Kampen (links) met hun nieuwe opstelling
Door dit dure, kwarts-glazen venster kan de vlam bestudeerd worden. Genie Stoffels zal met behulp van moderne laser-apparatuur bepaalde stoffen in de vlam zichtbaar maken.
Nadat verbranding heeft plaatsgevonden gaan de hete rookgassen door deze grote klep. Met de klep kan de druk in het systeem geregeld worden tussen de 1 en 5 bar. Aan de linkerkant (verticaal hangend) zijn de regel-kastjes voor druk en temperatuur te zien.
