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Open Access
Weiterentwicklung und Anwendung der Laser-Raman-Streuung zur Untersuchung industrieller Vormischflammen in einer Hochdruckbrennkammer
(2014) Stopper, Ulrich; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)
Diese Dissertation beschreibt die Anpassung der 1D-Laser-Raman-Spektroskopie an einen Hochdruckbrennkammerprüfstand und die damit ermöglichte Untersuchung industrieller Gasturbinenflammen. Die Durchführung von Hochdruckexperimenten erforderte die Entwicklung einer Brennkammer mit großen optischen Zugängen, den erstmaligen Einsatz eines mobilen Raman-Messsystems am Prüfstand, den Aufbau einer zweidimensional beweglichen Fokussier- und Detektionsvorrichtung sowie die Anpassung des Kalibrierverfahrens an das Druckmodul. Die Weiterentwicklung des Auswerteverfahrens beinhaltete automatische Korrekturen von mechanisch bedingten Dejustagen und von Fehlern im Rohsignal, die durch die Trübung der Brennkammerfenster im Flammenbetrieb verursacht wurden. Bevor das 1D-Raman-Messsystem zum Einsatz kam, wurden die Erdgas-Luft-Flammen eines industriellen Gasturbinenbrenners mit ergänzenden Messtechniken untersucht. Dazu gehörten Strömungsfeldmessungen mit Particle Image Velocimetry (PIV), Untersuchungen der Flammenstruktur anhand der Chemolumineszenz elektronisch angeregter OH-Radikale und der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) von OH. Der Parameterbereich umfasste Drücke bis 6 bar, thermische Leistungen bis 1 MW und Reynolds-Zahlen bis 1,2·10^5 bei Luft-Äquivalenzverhältnissen zwischen 1,5 und 2,0. Die Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessungen zeigen eine große innere Rezirkulationszone, starke turbulente Fluktuationen in den Scherschichten und Hinweise auf einen schnell rotierenden Axialwirbel. Mit den Chemolumineszenzaufnahmen ließ sich analysieren, wie die räumliche Verteilung der Flammenzone auf Variationen der Betriebsparameter reagiert. Die PLIF-Einzelaufnahmen zeigen stark gefaltete Flammenfronten. Anhand der OH-Radikal-Verteilung wurden auch Hinweise darauf gefunden, dass Selbstzündung, lokale Verlöschung und Effekte der Zündverzugszeit eine Rolle bei der Flammenstabilisierung spielen. Nach diesen Voruntersuchungen wurde das 1D-Raman-Experiment aufgebaut und durchgeführt. Im Rahmen dieser Dissertation erfolgten zum ersten Mal quantitative Raman-Messungen an Hochdruckflammen unter anwendungsnahen Bedingungen. Diese lieferten Informationen über die Stoffmengenanteile der Hauptspezies, den Mischungsbruch, die Temperatur und den Reaktionsfortschritt. Zu den Ergebnissen zählen zweidimensionale räumliche Mittelwertverteilungen, einzelschussbasierte statistische Verteilungen und 8 mm lange Einzelschussprofile. Raman-Messungen im Bereich der Brennstoff-Luft-Vormischung erlaubten eine quantitative Analyse der Homogenität der Mischung. Innerhalb der Flammenzone wurde ein hoher Anteil intermediärer thermochemischer Zustände gefunden, deren Temperaturen und chemische Zusammensetzungen zwischen denen von Frischgas und Abgas liegen. Darüber hinaus war es möglich, den Einfluss von Betriebsparametern auf die räumliche Verteilung des Reaktionsfortschritts zu ermitteln. Die gewonnenen Messergebnisse eignen sich zur Validierung numerischer Simulationen.