Vurige akoestiek

Vlammen produceren niet alleen hitte maar ook geluid. Het doet een gasturbine trillen op zijn grondvesten en bedreigt de stabiliteit van vaste brandstof-raketten. Een Twentse theorie geeft ingenieurs meer houvast.

DAT STRAALMOTOREN nogal wat herrie – en dus overlast – veroorzaken, was van meet af aan bekend. Toch trekt de soms buitensporige geluidsproductie van vlammen pas sinds enkele jaren de aandacht van universitaire onderzoekers. In Nederland werd het onderwerp urgent in 1993, bij het opstarten van de Demkolec, de Demonstratie Kolenvergassing Elektriciteitscentrale bij Roermond. Doel van deze experimentele centrale (met een vermogen van 250 megawatt) was te laten zien dat ook met kolen schone en efficiënte elektriciteitsproductie mogelijk is.

Kolen worden daartoe eerst omgezet in kolengas, een mengsel van koolmonoxide, waterstof, stikstof en stoom (de milieu-belastende zwavel wordt er uit gehaald). Dit gas wordt via diverse branders onder hoge druk verbrand in een gasturbine, die de elektriciteitsgenerator aandrijft. Het gasmengsel krijgt een lage verbrandingswaarde door (onbrandbare) stikstof en stoom toe te voegen: dan blijft de vlamtemperatuur relatief laag en worden maar weinig schadelijke stikstofoxiden gevormd.

Ondanks de lage calorische waarde van het kolengas en de lagere temperatuur in de verbrandingskamer bleek dezelfde Siemens-gasturbine die in aardgas-gestookte centrales prima draait niet bestand tegen de arbeidsomstandigheden in de Demkolec. Na het opstarten begon de verbrandingskamer een onheilspellend gebrom te produceren, naar later bleek omdat de druk binnenin snelle fluctuaties van ongeveer 1 procent vertoonde. Dat lijkt op het eerste gezicht weinig, maar bij een werkdruk van 10 atmosfeer betekent dat een alternerende kracht van honderden kilo's op bijvoorbeeld de schoepen van de turbine, wat een enorme slijtage veroorzaakt.

Sikke Klein, op 18 februari op dit onderwerp gepromoveerd bij Werktuigbouwkunde aan de Universiteit Twente: ``Als je die drukfluctuaties met een frequentie tussen 20 en 1000 hertz interpreteert als geluid, kom je uit boven de 200 decibel.'' Dat is aanzienlijk méér lawaai dan een startende straaljager (130 decibel), al bleef het leeuwendeel van de herrie binnenskamers.

Soortgelijke problemen deden zich voor in de jaren zeventig, toen veel centrales overschakelden van olie op aardgas. Net als toen is voor de Demkolec door trial and error een andere brander-configuratie en een aangepaste vlamlengte gevonden die de verbrandingskamer niet laat brommen, maar dat heeft wel tot 1996 geduurd. Klein: ``De industrie lost zo'n probleem pragmatisch op, maar eigenaar SEP, de Samenwerkende Elektriciteits Producenten, heeft toen de TU Twente benaderd om de zaak ook theoretisch uit te zoeken. Zo hadden ze meteen een gelijkwaardige gesprekspartner voor Siemens.''

In zijn proefschrift On the acoustics of turbulent non-premixed flames ontwikkelt Klein het wiskundige instrumentarium om kwantittieve voorspellingen te doen. Hij gebruikte daarbij een schaalmodel van de Demkolec-gasturbinebrander die hij van Siemens in bruikleen kreeg. Een vlam waarbij lucht en brandstof pas gemengd worden bij de verbranding (non-premixed) is te beschouwen als een oneindig dun, complex vervormd grensvlak tussen gas en lucht. In elk punt van de vlam treedt door de warmteproductie een volumevergroting met ongeveer een factor zes op, die het grensvlak in turbulente beweging houdt. De instantane, chaotische volumevergroting vertaalt zich in drukfluctuaties met een spectrum van frequenties: ruis. Klein kon zowel theoretisch als experimenteel aantonen dat deze primaire geluidsproductie vooral afhangt van de gemiddelde druk in de verbrandingskamer, en van de totale warmteproductie van de vlam. Om die reden valt aan het gebulder van straalmotoren weinig te veranderen, anders dan het bekleden van de straalpijp met geluidsabsorberend materiaal.

variaties

Vooral echter in gesloten systemen beïnvloeden drukfluctuaties in de verbrandingskamer de snelheid waarmee gas en lucht door de brandermond naar binnen stromen. En variaties in de brandstofaanvoer zorgen weer voor variaties in de warmteproductie. Deze kringloop, waarin oorzaak en gevolg met de geluidssnelheid achter elkaar aan hollen, is gevoelig voor de afmetingen van de verbrandingskamer en de grootte en plaats van de vlammen. Als de constructeur pech heeft, ontstaat bij bepaalde geluidsfrequenties positieve terugkoppeling en pompt de vlam in die frequentie een exponentieel groeiende hoeveelheid energie, totdat de hele installatie op zijn grondvesten staat te trillen.

Iets dergelijks treedt op in vaste-brandstofraketten: spontane druk- en temperatuurfluctuaties beïnvloeden de snelheid van de chemische reacties aan het oppervlak van de vaste brandstof. Door positieve terugkoppeling kunnen dan drukfluctuaties van wel 50 procent ontstaan. De gillende keukenmeid maakt er dankbaar gebruik van, maar bij de boosters van de Ariane 5 dreigde dat een probleem te worden. Daarom bevatten vaste-brandstofraketten schotten langs de binnenkant van de buis om de voortplanting van interne drukgolven tegen te gaan. Overigens moet men het bij de akoestische stabiliteit van raketten nog steeds vooral van trial and error hebben omdat men de precieze rol van het verbrandingsproces in de terugkoppeling nog niet goed begrijpt.

Uit Kleins onderzoek aan verbrandingskamers is gebleken dat de vlamlengte en het verschil in de gemiddelde druk voor en achter de branders er veel toe doen. Klein: ``Dat was uit de praktijk wel bekend, maar niet gekwantificeerd.'' Compleet nieuw is de grote gevoeligheid voor de samenstelling van het gasmengsel die hij experimenteel aantoonde. Zo bleek de toevoeging van slechts 5 procent methaan (de belangrijkste component van aardgas) zeer gunstig om instabiliteit van de installatie tegen te gaan.

De nieuwe theoretische inzichten worden inmiddels benut bij de bouw van een andere kolengascentrale van 300 megawatt in Puertollano, Spanje. Kleins begeleider, universitair hoofddocent dr. Jim Kok, is er diverse malen heen geweest om de bouwers te adviseren.

De verrassende ervaringen met het laag-calorische gasmengsel in de Demkolec houden volgens Klein ook een algemene les in: ``Voor de wat verdere toekomst is sprake van het overschakelen op een waterstof-economie, omdat waterstof zo'n mileuvriendelijke brandstof is. Dan zal je er bij het ontwerp van alle motoren en verbrandingsinstallaties terdege rekening mee moeten houden dat een waterstof-lucht-vlammengsel ook akoestisch heel anders kan reageren dan we gewend zijn.''

    • Arnout Jaspers