Browsing by Author "Fleck, Julia"

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Experimentelle Untersuchung der Selbstzündung wasserstoffreicher Brennstoffe unter Reheat-Bedingungen
(2015) Fleck, Julia; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)
In modernen Verbrennungstechnologien ist zunehmend das Verständnis spontaner Zündprozesse bedeutend, insbesondere in Verbindung mit den heute vermehrt eingesetzten wasserstoff(H2)-reichen Brennstoffen. So kommen in stationären Gasturbinen aktuell vorwiegend mager-vormischende Verbrenunnungssysteme zum Einsatz, um die niedrigen gesetzlichen Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Zündet während des Vormischprozesses von Luft und Brennstoff das entstehende reaktive Gemisch spontan, kann dies bis zur Zerstörung der Brennkammer führen. Denn durch die Zündung kann sich eine stabile Verbrennung in der Vormischzone etablieren, die nicht für solch hohe thermische Belastung ausgelegt ist. In der Vormischzone einer sogenannten Reheat-Brennkammer, die in Alstoms GT24 und GT26 Gasturbinenfamilie eingesetzt wird, liegen spezielle Bedingungen vor. Hier wird der Brennstoff in heißes Abgas, anstatt in Luft, mit Temperaturen von mehr als 1000 K eingemischt. Dies führt insbesondere mit wasserstoffreichen Brennstoffen zu einem unterschiedlichen Selbstzündverhalten verglichen mit konventionellen Gasturbinen-Brennkammern, wo deutlich niedrigere Lufttemperaturen in der Vormischzone vorliegen. Vor diesen Hintergründen zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, das Selbstzündverhalten wasserstoffreicher Brennstoffe während des Vormischprozesses bei Reheat-relevanten Bedingungen zu untersuchen. Dies bezieht auch die auf eine Selbstzündung folgende Flammenausbreitung mit ein, die zu einer stabilen Flamme in der Vormischzone führt. Die Versuche wurden in einer generischen, optisch zugänglichen Reheat-Brennkammer durchgeführt, welche in einem Hochdruckbrennkammer-Prüfstand installiert war. So ließen sich technisch relevante Drücke in turbulenter Umgebung realisieren. Es wurden Oxidatortemperaturen zwischen T = 1143 und 1203 K bei Drücken von p = 5, 10 und 15 bar, Strömungsgeschwindigkeiten von u = 200 und 300 m/s und Oxidatorzusammensetzungen entsprechend solchen in einer Reheat-Brennkammer untersucht. In den durch die Mischstrecke strömenden Oxidator wurden unterschiedliche Wasserstoff/Stickstoff- und Wasserstoff/Erdgas/Stickstoff-Gemische quer zur Hauptstömungsrichtung als "Jet-in-Crossflow" zugegeben. Während eines Selbstzündversuches wurden die Mischstrecken-Parameter konstant gehalten und der Wasserstoffgehalt im Brennstoff schrittweise in Richtung eines Sollwertes erhöht, bis sich eine durch Selbstzündung induzierte Flamme in der Mischstrecke stabilisierte. Durch häufiges Wiederholen dieses Vorgangs bei unterschiedlichen Oxidatortemperaturen und Drücken ließ sich der Wasserstoffgehalt bei flammeninduzierender Selbstzündung in Abhängigkeit dieser Parameter ermitteln. Diese Abhängigkeiten stellen die sogenannten Stabilisierungsgrenzen dar. Zudem wurden die Zündereignisse mittels Hochgeschwindigkeits-Messtechnik detektiert, wobei standardmäßig das Lumineszenssignal bei einer Rate von bis zu 30 kHz aufgezeichnet wurde. In einigen Fällen wurden simultane Schattenaufnahmen durchgeführt. Zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen wurden homogen-kinetische Berechnungen bei entsprechenden Randbedingungen in Relation zu den experimentellen Ergebnissen gesetzt. Die Ergebnisse belegen bei allen Drücken eine hohe Temperaturabhängigkeit der Stabilisierungsgrenzen, die bei u = 300 m/s ausgeprägter ist als bei u = 200 m/s. Bei der höheren Geschwindigkeit (u = 300 m/s) und dem höchsten untersuchten Druck (p = 15 bar) konnten unterhalb von rund T = 1173 K die angestrebten H_2-Soll-Konzentrationen (52 bzw. 64 vol.%) ohne Flammenstabilisierung erreicht werden. Für geringere Drücke als 15 bar reduzierte sich der H_2-Anteil bei Flammenstabilisierung, oder er blieb in etwa konstant. Auch dieses Verhalten hing von der Geschwindigkeit in der Mischstrecke ab. Kleine Anteile an Erdgas erhöhten den möglichen Gehalt an H_2 bei vergleichbaren Randbedingungen signifikant, um bis zu rund 35 vol.%. Die beobachteten Verhaltensweisen lassen sich zum Teil anhand der chemischen Kinetik des Wasserstoffsystems erklären, welche neben der hohen Temperatursensitivität unter bestimmten Bedingungen eine komplexe Druckabhängigkeit aufweist. Bezüglich des detaillierten Ablaufs eines Zündprozesses zeigten die Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen, dass ein Selbstzündereignis zunächst in Form eines Zündkerns auftrat. Einige dieser Zündkerne wurden stromab getragen und resultierten nicht in einer stabilen Flamme. Andere, die näher an der Brennstoffzufuhr entstanden, wanderten stromauf und stabilisierten vermutlich in der Nachlaufzone des Brennstoffstrahls. Aufgrund von Beobachtungen des Prozesses von Zündkernentstehung bis hin zu einer stabilen Flamme wurde eine Hypothese über die Flammenausbreitung entwickelt und diskutiert. Gemäß dieser Hypothese beeinflusst ein Zündkern während seiner Entstehung und seines Anwachsens die Bedingungen in der Mischstrecke zugunsten der Entstehung weiterer Zündkerne und der Flammenstabilisierung.