Nieuwe gasturbines die minder schadelijke stoffen uitstoten en toch niet kapot trillen. Twee onderzoeken van de Universiteit Twente tonen nu aan hoe het kan. Veel elektriciteitscentrales wekken elektriciteit op door aardgas te verbranden in gasturbines. Om de rookgassen zo schoon mogelijk te houden, moet de vlamtemperatuur zo laag mogelijk zijn. Dit maakt de vlam echter instabiel en produceert veel geluid, waarvan de vibraties onderdelen kapot kunnen maken. Twentse onderzoekers brachten de eigenschappen van de vlam en samenhangende trillingen in kaart en ontwikkelden belangrijke simulaties voor de bouw van duurzamere turbines.
Het is energiebedrijven al jaren een doorn in het oog. Gasturbines die kapot rammelen door de trillingen die een instabiele vlam veroorzaakt. In Europa gebeurt dat drie a vier keer per jaar en er zijn flinke kosten aan verbonden. Belangrijke onderdelen van de turbines kosten al snel tienduizenden euro’s en energiebedrijven lijden extra schade doordat de turbine een tijd niet draait.
Dankzij Twents onderzoek worden dit soort gasturbines duurzamer
Tognum AGHoog tijd dat er wat aan wordt gedaan en universiteiten en de industrie slaan daarom in het Europese Limousineproject de handen ineen. Twee recente onderzoeken van de Universiteit Twente leverden een belangrijke bijdrage aan toekomstige duurzame en veilige turbines. De een bracht de omstandigheden in kaart waaronder een vlam instabiel wordt en de ander bekeek het effect van de daarbij optredende trillingen.
“Hierdoor hebben we een soort toolbox ontwikkeld om nieuwe turbines te testen. Het gaat om multifysische problemen waardoor we meerdere modellen aan elkaar koppelen. Er is bijvoorbeeld een model dat de stroming en de verbranding van de vlam simuleert. Die data vertalen we vervolgens naar een soort vingerafdruk van de vlam. Die gegevens voeren we in een ander model in dat het akoestisch gedrag simuleert. Als laatste kijkt een derde model naar het vibratiegedrag door te voorspellen waar scheurvorming optreedt. Dit was nog niet eerder zo systematisch beschikbaar”, zegt onderzoeker en algeheel coordinator van het project Jim Kok (Universiteit Twente).
De regels om de rookgassen zo schoon mogelijk te houden en de uitstoot van schadelijke stoffen te beperken, worden steeds strenger. Daarom moet de vlamtemperatuur zo laag mogelijk zijn. Maar dit zorgt ook voor een minder stabiele vlam, die geluid en dus trillingen veroorzaakt waardoor onderdelen kapot trillen of scheurvorming ontstaat.
De installatie van een gasturbine bij de elektriciteitscentrale in de Eemshaven.
Nuon“Je kan dit vergelijken met een gasbrander op de camping, ook dan maakt de vlam vaak geluid. In een gasturbine zit de vlam echter in een afgesloten ruimte, waardoor het lawaai en de trillingen fors toe nemen. De geluidsdruk in een gasturbine is normaal rond de 140 decibel, vergelijkbaar met het geluid van een groot vliegtuig dat op twintig meter afstand opstijgt. Bij een instabiele vlam neemt het toe tot 190 decibel.”
De vlam ontstaat in de verbrandingskamer. Daar komt lucht binnen waar vervolgens brandstof bij wordt gespoten. Dit wordt ontstoken zodat een vlam ontstaat. “Als die instabiel wordt en trillingen veroorzaakt gaan deze via de snelheid van geluid, die een factor tien hoger ligt dan de snelheid van de lucht, naar de ingang van de verbrandingskamer. Hierdoor wordt de geluidsdruk uiteindelijk fors versterkt. Vervolgens zijn de trillingen zo groot dat de gasturbine inwendig helemaal kapot gaat.”
De industrie gaat de nieuwe simulaties toepassen op de nieuwe generatie gasturbines. Kok verwacht dat Hollandse fabrikanten daar wel bij varen. “Nederland is een vrij grote speler. Er zijn een aantal bedrijven, zoals Innecs, Sulzer Elbar, Thomassen en Opra, die kleine gasturbines of onderdelen daarvoor maken.”
Uitsluiten dat gasturbines voortaan niet meer kapot gaan door de instabiliteit van de vlam wil Kok niet. “Maar we verminderen het risico daarop wel fors.” De Universiteit Twente verder met onderzoek naar vibraties in het Europese Copa project waarbij wordt gekeken naar kerosinevlammen.