06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Analyse der Flammenstabilisierung intensiv mischender Jetflammen für Gasturbinenbrennkammern(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Severin, Michael; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Rezirkulationsstabilisierte Jetflammen sind als innovatives Brennkammerkonzept (bekannt als FLOX-Brenner) für Gasturbinenanwendungen eine vielversprechende Alternative zu den weit verbreiteten Drallbrennern. Sie zeichnen sich durch eine intensive Vormischung, homogene Temperaturverteilung, geringe NOx-Emissionen und hohe Last- und Brennstoffflexibilität aus. Der Querschnittssprung der eingeschlossenen Jetströmung sorgt für eine starke Rezirkulation von heißem Abgas. Es ist bekannt, dass diese Rezirkulation entscheidend zur Flammenstabilisierung beiträgt, da die Geschwindigkeit des in die Brennkammer einströmenden Frischgases sehr viel höher als die Flammengeschwindigkeit ist. Wie diese Stabilisierung im Detail abläuft ist jedoch unbekannt und Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit. Für die experimentellen Untersuchungen wurden zwei Modellbrenner verwendet, die jeweils eine einzelne rezirkulationsstabilisierte Jetflamme ausbilden: Der erste Modellbrenner stellt einen vereinfachten generischen Testfall dar und wurde im Labor unter atmosphärischen Bedingungen betrieben. Der zweite bildet den Ausschnitt eines realen Brenner-Prototyps ab und wurde am Hochdruckbrennkammerprüfstand unter gasturbinentypischen Bedingungen (hoher Druck, hohe Brennkammereintrittstemperatur) betrieben. Beide Brennkammern bestanden aus Glas und waren für optische Messungen voll zugänglich. Es wurden die Messtechniken Particle Image Velocimetry (PIV), OH*-Chemolumineszenz-Abbildung (OH*-CL) und OH Laserinduzierte Fluoreszenz (OH-LIF) eingesetzt, um detaillierte Kenntnis über das Strömungsfeld, die Flammenlage und die Temperatur zu gewinnen. Diese wurden teilweise simultan und mit hoher Wiederholrate von 5 kHz angewandt, um die schnellen physikalisch-chemischen Vorgänge der Flammenstabilisierung zu erfassen. Um die Interpretation der experimentellen Daten zu unterstützen, wurden zusätzlich chemisch-kinetische Modellrechnungen durchgeführt und theoretische Zündverzugszeiten, laminare Flammengeschwindigkeiten und Verlöschstreckraten bestimmt. Die Analyse des Betriebsbereichs über eine weite Parametervariation ergab, dass in den Brennern vier verschiedene Flammentypen auftreten können: Die klassische Bunsen-Flamme, die rezirkulationsstabilisierte Jetflamme, der Zustand flammenloser Oxidation und die pilotierte Jetflamme. Die weiteren detaillierten Untersuchungen konzentrierten sich auf die rezirkulationsstabilisierte Jetflamme. Diese ist stets abgehoben, weit in der Brennkammer verteilt, und brennt auch bei großer Betriebsparametervariation mit bemerkenswert konstanter Abhebehöhe. Das Strömungsfeld zeigt die charakteristische Rezirkulationszone, die heißes Abgas zurück an die Jetwurzel transportiert, und kleinere instationäre Wirbel in der Scherschicht zwischen Jet und Rezirkulation, die heißes Abgas und einströmendes Frischgas mischen. Die Ausdehnung und Intensität der Rezirkulation ist im relevanten Betriebsbereich ebenfalls weitgehend unabhängig von den Betriebsparametern, was die gute Lastflexibilität eines solchen Brenners erklärt. Die Temperaturbestimmung aus den quantitativen OH-LIF Messungen ergab eine relativ homogene Temperaturverteilung am Ende der Flammenzone und einen Temperaturverlust des heißen Abgases bei der Rezirkulation. Die Hochgeschwindigkeitsmessungen zeigen eine stark instationäre turbulente Flamme und das Auftreten von Selbstzündereignissen an der Flammenwurzel. Die Selbstzündereignisse korrelieren dabei mit den Positionen der intensiv mischenden kleinskaligen Scherschichtwirbel. Der Verlauf der Flammenabhebehöhe kann allerdings nur mäßig mit den ermittelten Zündverzugszeiten in Verbindung gebracht werden. Dies weist darauf hin, dass die Verbrennung nicht rein auf Selbstzündung basierend abläuft, sondern nur von dieser unterstützt wird. Die hochaufgelösten OH-LIF Bilder zeigen eine sich ausbreitende Flammenfront, die entsprechend des Borghi-Diagramms turbulenter vorgemischter Verbrennung je nach Betriebsparametern zusammenhängend oder stark aufgerissen, jedoch immer vorhanden ist. Die simultanen Hochgeschwindigkeitsmessungen zeigen, dass vor allem ein kontinuierliches Flammenaufrollen für die Flammenstabilisierung verantwortlich ist. Sowohl die Ausbreitung der Flammenfront, das Flammenaufrollen, als auch die Selbstzündereignisse werden durch Streckung aufgrund hoher Geschwindigkeitsgradienten limitiert. Die Ergebnisse zeigen, dass im Bereich der Jetwurzel hohe Streckungsraten vorliegen, dort somit keine kontinuierlichen Reaktionen ablaufen und die Flamme daher abgehoben ist. Zusammenfassend basiert die Flammenstabilisierung also auf einem komplexen Zusammenspiel von Mischung, Selbstzündung, Flammenausbreitung und Limitierung durch Streckung. Die Ergebnisse des Labor- und des Hochdruck-Brenners sind im Vergleich übereinstimmend und der Druck scheint keinen entscheidenden Einfluss auf den Mechanismus der Flammenstabilisierung zu haben. Fourier- und POD-Analysen zeigen, dass die beobachteten Phänomene keiner dominanten Frequenz folgen sondern breitbandig turbulenter Natur sind. Das gewonnene Verständnis aus den Analysen dieser Arbeit fließt direkt in die laufende Entwicklung von FLOX-Brennern für große stationäre Gasturbinen ein, die bisher hauptsächlich auf systematischen Geometrievariationen beruhte. Außerdem werden die umfassenden Ergebnisse als Validierungsdaten für numerische Simulationen genutzt, die wiederum entscheidend zur weiteren Brenneroptimierung und weiterem Grundlagenverständnis beitragen.Item Open Access Auslegung und Charakterisierung eines dreidimensionalen Scramjet-Einlaufs mit hohem Verdichtungsverhältnis und variabler Innenkontraktion(2014) Hohn, Oliver; Krämer, Ewald (Prof. Dr.-Ing.)Diese Arbeit als Bestandteil des Graduiertenkollegs GRK-1095 „Aero-thermodynamische Auslegung eines Scramjet-Antriebssystems für zukünftige Raumtransportsysteme“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) befasst sich mit Untersuchungen an Scramjet-Einläufen mit hohen Verdichtungsverhältnissen, wobei der Schwerpunkt darin lag, den Übergang von vormals vorherrschenden zweidimensionalen zu dreidimensionalen Geometrien zu erreichen. Dazu wurde zunächst der bestehende zweidimensionale Doppelrampen-Einlauf GK-01 der ersten Leitkonfiguration des Graduiertenkollegs modifiziert, um mit diesem Erkenntnisse über Aspekte zu erlangen, auf die bei der Auslegung einer neuen, vollständig drei-dimensionalen Einlaufgeometrie besonderes Augenmerk gelegt werden muss. Dies betraf insbesondere die aerodynamischen und aerothermodynamischen Auswirkungen durch zusätzliche Seitenwandkompression sowie Veränderungen beim Innenkontraktionsverhältnis des Einlaufs. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde mittels einer CFD-Parameterstudie die Einlaufgeometrie der neuen dreidimensionalen Gesamtkonfiguration des Graduiertenkollegs festgelegt. Das Betriebsverhalten des auf Basis dieser Parameterstudie entwickelten und gefertigten Einlaufmodells GK-3D wurde anschließend im Hyperschallwindkanal H2K der Abteilung Überschall- und Hyperschalltechnologien des DLR in Köln eingehend an unterschiedlichen Betriebspunkten und bei verschiedenen Bedingungen experimentell untersucht. Die Einlaufströmung wurde in den Windkanalversuchen mit Strömungsvisualisierung durch Schattenaufnahmen und Wand- und Pitotdruckmessungen erfasst. Für das neu ausgelegte GK-3D-Modell wurde ein Druckmessrechen entwickelt, der neben Pitotröhrchen auch über statische Drucksonden verfügt. Zudem wurde der Massenstrom mit einer Drossel gemessen, mit der auch der Brennkammergegendruck variiert wurde, um die Grenzen des Betriebsbereichs des Einlaufs zu ermitteln. Die Wärmelasten auf den externen Verdichtungsrampen wurden mittels Infrarot-Thermografie bestimmt. Die zusätzliche Seitenwandkompression im modifizierten 2D-Einlauf verursachte starke Änderungen der externen Strömung, die das Startverhalten des Einlaufs negativ beeinflussten. Dadurch war eine optimale Anpassung der Lippenposition an die veränderte Strömungsstruktur nicht möglich, so dass mit dieser Art der Seitenwandkompression, im Gegensatz zu zusätzlichen seitlichen Kompressionskeilen im internen Strömungskanal, aufgrund des größeren Spillage-Massenstroms keine bedeutend höhere Verdichtung erzielt werden konnte. Die Eckenwirbel waren bei zusätzlicher Seitenwandkompression deutlich stärker und wurden durch die Interaktion mit dem zweiten Rampenstoß nochmals enorm verstärkt, wodurch die Grenzschichten in weiten Bereichen der externen Rampen ablösten. Im 2D-Fall und bei interner Seitenwandkompression war es möglich, die Innenkontraktion deutlich zu erhöhen und durch den zusätzlich eingefangenen Massenstrom die Effizienz zu steigern. Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens des neuen 3D-Einlaufs wurden das Startverhalten, der Einfluss der Innenkontraktion, der Reynoldszahl und die Änderung der Flugbahnwinkel betrachtet. Das Startverhalten stimmte dabei gut mit Erfahrungswerten von anderen 3D-Einläufen überein. Die Innenkontraktion hatte keine entscheidenden Auswirkungen auf das Strömungsfeld und das Leistungsvermögen des Einlaufs. Die Grenzen des Betriebsbereichs verschoben sich mit steigender Innenkontraktion jedoch zu höheren Druckverhältnissen. Die Stoß-Grenzschicht-Interaktion des Rampenstoßes mit der Haubenoberfläche, die bei Fällen mit hoher Innenverdichtung auftritt, erwies sich nicht als problematisch. Dies war auch bereits bei den Voruntersuchungen mit dem modifizierten 2D-Einlauf der Fall. Größere Auswirkungen ergaben sich durch Flugbahnwinkel, welche die effektiven Kompressionswinkel der Rampe bzw. der Seitenwände und den Fangquerschnitt verändern und damit auch die Druck- und Massenstromverhältnisse. Hinsichtlich eines sicheren Betriebs sind vor allem hohe positive Anstellwinkel als kritisch einzustufen, da die Druck- und Massenstromverhältnisse derart stark absinken, dass die Zündung und Stabilität der Verbrennung eventuell nicht mehr gewährleistet sind. Die Variation der Reynoldszahl lieferte nur kleine Einflüsse auf das Leistungsvermögen und die Effizienz des Einlaufs im ungedrosselten Betriebsfall. Die Betriebsgrenzen lagen bei hoher Reynoldszahl jedoch deutlich niedriger, das Blockieren der Einlaufströmung passierte viel schneller (d.h. bei niedrigeren Brennkammergegendrücken). Mit IR-Thermografie konnten Erkenntnisse über die Höhe der maximalen auftretenden Wärmelasten und die Orte, an denen sie auftreten, erlangt werden. Diese und besonders auch deren Position änderten sich stark bei Variation der Flugbedingung, vor allem durch Flugbahnwinkel. Es konnten daraus jedoch keine genaueren Einblicke in die Strömungsstruktur auf den externen Rampen, vor allem das Transitionsverhalten, gewonnen werden. Zudem wurden alternative, analytische Auslegeverfahren basierend auf Streamline-Tracing betrachtet, um die hier angewandte und mit hohem Arbeitsaufwand verbundene Auslegungsstrategie einer Parameterstudie effizienter zu gestalten. Dazu wurden ein REST-Einlauf und ein Einlauf auf Basis einer Busemannströmung entwickelt, denen jeweils die gleichen Flächenverhältnisse wie beim GK-3D-Einlauf zugrunde liegen. Das Auslegungsverfahren für REST-Einläufe erwies sich dabei als nur sehr eingeschränkt tauglich für die vorliegenden hohen Verdichtungsverhältnisse, da die so erlangten Einlaufgeometrien extrem lang werden und somit ungeeignet für das hypothetische Flugexperiment des GRK-Teilprojekts C1 wären. Basierend auf Busemann-Strömungen war es möglich, Einlaufgeometrien zu erlangen, die zwar immer noch länger als der GK-3D-Einlauf waren, aber deutlich kompakter gestaltet werden konnten als die REST-Einläufe. Mit diesen Einläufen konnten zudem bedeutend höhere Wirkungsgrade erzielt werden als mit den anderen Konfigurationen. Jedoch lag deren Leistungsvermögen in Form der Verdichtungs- und Temperaturverhältnisse geringfügig niedriger als das des 3D-Einlaufs.Item Open Access Data-based methods for the screening and design of jet fuels(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2024) Hall, Clemens Alexander; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)To achieve climate neutrality in the aviation sector, research on new sustainable aviation fuels (SAF) is needed as the growing demand will exceed the production potential of established sustainable pathways. The focus is thereby not only on the exploration of sustainable feedstocks and the development of new production processes but also on the facilitation and acceleration of the whole fuel development process, from its conceptualization to its approval. The critical evaluation of a new production pathway guarantees the safe application and performance of a new fuel. The approval poses a major challenge for fuel producers, requiring a tremendous commitment of time, fuel volume and cost. Concepts that allow a fast-iterative, low-cost screening and design of new candidate fuels, to assess and optimize their chances for approval are thereby seen as key enablers. Established fuel screening concepts rely on model-based prediction, which, together with state- of-the-art compositional analytics, allow the fast assessment of SAF candidates from volumes as low as 5 mL. The design of new fuels, on the other hand, requires a comprehensive understanding of the composition of a jet fuel and properties considered critical for the fuel approval. This work describes the research and development of tools for the screening and design of jet fuels. Focusing on data-based methods, the tools are built from a database composed of both jet fuels and fuel components. It is thereby investigated whether and how data-based tools are able to support the screening and design of new SAF candidates and what their limitations are. For the jet fuel screening, three different modeling methods to predict physicochemical properties from compositional measurements are adapted and investigated: Direct correlation (DC), Mean Quantitative Structure-Property Relationship Modeling (M-QSPR) and Quantitative Structure-Property Relationship Modeling (QSPR) with sampling. All developed models are probabilistic, since the safety-relevant use case of jet fuel screening makes the consideration of uncertainties necessary. Rather than estimating one deterministic property value, probabilistic models estimate a distribution of values and with it the associated uncertainty. The predictive capabilities of the developed models are assessed using specially developed metrics and compared on the prediction of conventional and synthetic jet fuels. To put the developed models into reference, they are compared to established deterministic models from the literature. Identifying strengths and limitations of the different approaches, the models are applied to jet fuel screening to test theiradequacy for the assessment of new SAF candidates. To support the design of new SAF candidates, the relationships between the fuel composition and critical physicochemical properties are investigated. The relationships are investigated on the basis of fuel components and the influence of their chemical families as well as the structural aspects size and the branching. Trends and relations are characterized with graphs and quantitative metrics that illustrate correlation and state the average value for a change in composition. Both the developed models and design tools are applied to the use case of screening and then optimizing a real SAF candidate to maximize its chances for successful fuel approval. The SAF candidate and three optimized fuel variants with reformulated compositions are thereby screened to assess the most suitable production route. Afterwards, a blending analysis of the SAF candidate and the variants is conducted to estimate their maximum volume fraction in the mixture with representative conventional jet fuels, considering both the safety requirements as well as the potential reduction of CO2 and soot emissions. As potential next steps, this work identifies the need for advancements in the analytics of the fuel composition as well as the extension of the existing fuel property databases. The former would reduce the uncertainty in the property modeling, while the latter would increase both the predictive capability of the models and the understanding of the fuel property relations.Item Open Access Development of an uncertainty quantification predictive chemical reaction model for syngas combustion(2017) Slavinskaya, Nadezda; Abbasi, Mehdi; Starcke, Jan Hendrik; Whitside, Ryan; Mirzayeva, Aziza; Riedel, Uwe; Li, Wenyu; Oreluk, Jim; Hegde, Arun; Packard, Andrew; Frenklach, Michael; Gerasimov, G. Ya.; Shatalov, OlegAn automated data-centric infrastructure, Process Informatics Model (PrIMe), was applied to validation and optimization of a syngas combustion model. The Bound-to-Bound Data Collaboration (B2BDC) module of PrIMe was employed to discover the limits of parameter modifications based on uncertainty quantification (UQ) and consistency analysis of the model−data system and experimental data, including shock-tube ignition delay times and laminar flame speeds. Existing syngas reaction models are reviewed, and the selected kinetic data are described in detail. Empirical rules were developed and applied to evaluate the uncertainty bounds of the literature experimental data. The initial H2/CO reaction model, assembled from 73 reactions and 17 species, was subjected to a B2BDC analysis. For this purpose, a dataset was constructed that included a total of 167 experimental targets and 55 active model parameters. Consistency analysis of the composed dataset revealed disagreement between models and data. Further analysis suggested that removing 45 experimental targets, 8 of which were self-inconsistent, would lead to a consistent dataset. This dataset was subjected to a correlation analysis, which highlights possible directions for parameter modification and model improvement. Additionally, several methods of parameter optimization were applied, some of them unique to the B2BDC framework. The optimized models demonstrated improved agreement with experiments compared to the initially assembled model, and their predictions for experiments not included in the initial dataset (i.e., a blind prediction) were investigated. The results demonstrate benefits of applying the B2BDC methodology for developing predictive kinetic models.Item Open Access Development of numerical methods for the calculation of thermo-acoustic interactions in gas turbine combustion chambers(2015) Reichling, Gilles; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)The occurrence of thermo-acoustic instabilities in gas tubine combustion chambers can cause mechanical damage to the combustor system, up to the point of mechanical failure. This work aims to enable the calculation of thermo-acoustic interactions in gas turbine combustor systems through the development of a numerical scheme capable of computing time-dependent compressible reactive flows. Besides Mach numbers close to the subsonic limit, they may become very small in regions with high temperatures and low velocities. The created numerical scheme thus needs to cope with flows close to the subsonic, as well as incompressible limit. The application of the developed numerical method onto gas turbine combustors creates the possibility of capturing thermo-acoustic interaction mechanisms in application-related combustor systems. This aspect fulfills the need to gather more information on thermo-acoustic interaction phenomena and the detailed physical mechanisms that influence their rise towards thermo-acoustic instabilities. For this purpose, a novel projection-based numerical method able to compute compressible reactive flows referred to as the CPM (Compressible Projection Method) method has been developed within this work. It is based on a generic form of the Helmholtz decomposition derived within the frame of this work, leading to a fractional step scheme which solves a predictor and a corrector step. The Poisson equation solved for the pressure within the IPM (Incompressible Projection Method) solution strategy is extended to a Helmholtz equation for the computation of compressible flows. Thus, the CPM method can be seen as an extension of the IPM method towards the regime of compressible flows. Applying the predictor and corrector steps to the conservation equations of the enthalpy and species including Dalton’s law, mixing and combustion phenomena can be included into the computation process, thus enabling the calculation of reactive flows. Since no iterations of the solution process need to be performed, the CPM method describes a highly efficient numerical scheme for the numerical computation of compressible reactive flows. Accurate boundary conditions have been adopted based on a characteristic analysis of the governing flow equations. The characteristic boundary condictions have been implemented and verified by means of an analytical approach providing the response of generated acoustic waves at the in- and outflow boundaries of a one-dimensional rectangular duct. Verification and validation of the numerical method is conducted by one- and two-dimensional test cases. These take flows nearby the incompressible limit, as well as effects of higher Mach numbers into account. As an application-related and validation test case, the three-dimensional turbulent transient flow in a double-swirled gas turbine combustor has been calculated.Item Open Access Dynamic-stall measurements using time-resolved pressure-sensitive paint on double-swept rotor blades(2021) Weiss, Armin; Geisler, Reinhard; Müller, Martin M.; Klein, Christian; Henne, Ulrich; Braukmann, Johannes N.; Letzgus, JohannesThe study presents an optimized pressure-sensitive paint (PSP) measurement system that was applied to investigate unsteady surface pressures on recently developed double-swept rotor blades in the rotor test facility at the German Aerospace Center (DLR) in Göttingen. The measurement system featured an improved version of a double-shutter camera that was designed to reduce image blur in PSP measurements on fast rotating blades. It also comprised DLR’s PSP sensor, developed to capture transient flow phenomena (iPSP). Unsteady surface pressures were acquired across the outer 65% of the rotor blade with iPSP and at several radial blade sections by fast-response pressure transducers at blade-tip Mach and Reynolds numbers of Mtip=0.282-0.285 and Retip=5.84-5.95×105. The unique experimental setup allowed for scanning surface pressures across the entire pitch cycle at a phase resolution of 0.225deg azimuth for different collective and cyclic-pitch settings. Experimental results of both investigated cyclic-pitch settings are compared in detail to a delayed detached eddy simulation using the flow solver FLOWer and to flow visualizations from unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (URANS) computations with DLR’s TAU code. The findings reveal a detailed and yet unseen insight into the pressure footprint of double-swept rotor blades undergoing dynamic stall and allow for deducing “stall maps”, where confined areas of stalled flow on the blade are identifiable as a function of the pitch phase.Item Open Access Effiziente Rußmodellierung in laminaren und turbulenten Flammen unterschiedlicher Brennstoffe(2012) Blacha, Thomas; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)Dass Ruß infolge unvollständiger Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe entsteht, weiß man schon seit mehreren Jahrzehnten. Ebenso sind die grundsätzlichen positiven als auch negativen Eigenschaften von Ruß schon seit langer Zeit bekannt. So hat er nicht nur eine große Bedeutung als Industrie- bzw. Füllstoffruß (z.B. in Autoreifen), sondern er sorgt auch in Flammen für eine erhöhte Wärme- und Lichtabstrahlung. Auf der anderen Seite hat sich gerade in den letzten Jahren gezeigt, dass Ruß Krebs erregend sein kann und mit aller Wahrscheinlichkeit zur verstärkten Bildung von Zirruswolken in großen Höhen beiträgt. Dennoch wird bis heute der genaue Vorgang der Rußentstehung, des Wachstums und des Abbaus nicht vollständig verstanden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modells, welches die Vorhersage von Ruß in bestimmten Anwendungsgebieten ermöglichen soll. Während in der Literatur bereits eine Vielzahl sowohl an sehr einfachen als auch sehr detaillierten Rußmodellen erschienen ist, werden in dieser Arbeit ganz besondere Ansprüche an das zu entwickelnde Modell gestellt. Zum einen soll es nach Möglichkeit eine Genauigkeit aufweisen, die heutigen sehr detaillierten Rußmodellen entspricht, und zum anderen mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand verbunden sein. Gerade der Kompromiss zwischen Genauigkeit und Schnelligkeit stellt dabei eine hohe Herausforderung dar. Die chemischen Reaktionen gasförmiger Spezies werden mit Hilfe eines stark reduzierten kinetischen Reaktionsmechanismus erfasst, welchem je nach Interesse weitere Untermechanismen hinzugeschaltet werden können. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) werden durch einen Sektionalansatz repräsentiert und sind das Bindeglied zwischen Gasphase und Rußchemie. Die Modellierung der Rußpartikel kann wahlweise entweder über ein Zweigleichungsmodell oder einen weiteren Sektionalansatz realisiert werden. Einzelne PAH- und Ruß-Reaktionen werden dabei global betrachtet, was die separate Behandlung angeregter Zustände erspart. Zu den berücksichtigten Mechanismen gehören Bildungsreaktionen, Oxidation, Koagulation und Wachstum durch Kondensation von Acetylen. Das Gesamtrußmodell konnte erfolgreich anhand einer Vielzahl verschiedener Brennstoffe und Flammenkonfigurationen validiert werden. Dabei beschränken sich die entsprechenden Testfälle nicht nur auf vereinfachte laminare akademische Testfälle, sondern die Rußbildung in einer turbulenten Jetflamme und in einer Ringbrennkammer im Originalmaßstab konnten ebenfalls reproduziert werden. Hierbei wurde durch das Modell auch der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Rußproduktion korrekt wiedergegeben. Weitere Analysen verdeutlichen, dass bei Temperaturen oberhalb von 2000K die Reversibilität von PAH-Bildungsreaktionen eine sehr wichtige Rolle spielen kann, denn bei derart hohen Temperaturen wird das chemische Gleichgewicht deutlich von großen Rußvorläufern weg und hin zu kleineren Spezies verschoben. Dass diese Reversibilität in der vorliegenden Arbeit berücksichtigt werden konnte, stellt eine wichtige Errungenschaft dar und ist für eine zuverlässige Rußvorhersage von großer Bedeutung. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Rußmodellierung - so zeigte sich - ist die starke Temperaturempfindlichkeit von Rußoxidationsmechanismen. Da insbesondere die Wahl von Rußenthalpien als auch die Modellierung von Wärmestrahlung mit Unsicherheiten behaftet sind und einen großen Einfluss auf die berechnete Temperatur haben, kann sich dies signifikant auf die Rußoxidationsraten auswirken. Zuverlässige Rußenthalpiewerte sind in der Literatur nicht verfügbar, aber es wurde in dieser Arbeit eine viel versprechende Strategie vorgestellt, welche die Bestimmung eines Näherungswertes erlaubt. Das verwendete Wärmestrahlungsmodell wurde wegen seiner hohen Recheneffizienz gewählt. Aufgrund der starken Vereinfachungen in diesem Modell ist zu erwarten, dass detailliertere Wärmestrahlungsmodelle zwar zu einer Zunahme der Rechenkosten aber auch zu einer Verbesserung in den Vorhersagen von Rußoxidationsraten führen werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtmodell weist eine Genauigkeit auf, welche sich mit derer aktueller sehr detaillierter Rußmodelle ohne weiteres messen kann. Da es zusätzlich nicht nur durch seine vielseitige Anwendbarkeit, sondern auch seine hohe Recheneffizienz überzeugt, stellt es einen wichtigen Fortschritt in der Rußmodellierung dar, insbesondere in Bezug auf praktische Anwendungen.Item Open Access Effiziente, stochastische Vorhersage von turbulentem Brennkammerlärm(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2017) Grimm, Felix; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Breitbandlärm spielt heutzutage in vielen technischen Anwendungen eine große Rolle. Dessen akkurate numerische Simulation im Bereich der turbulenten Verbrennung ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Lärm kann mithilfe direkter, kompressibler Methoden und Modelle bereits vorhergesagt werden. Allerdings sind solche Verfahren sehr rechenzeitintensiv und nach wie vor wenig validiert. Daher wird hier ein hybrides, stochastisches Verfahren zur Bestimmung turbulenten Verbrennungslärms weiterentwickelt und validiert, um diesen Lärm in komplexen und technisch relevanten Problemstellungen effizient und zuverlässig vorhersagen zu können. Das neue Verfahren FRPM-CN (Fast Random Particle Method for Combustion Noise Prediction) wird zunächst anhand eines generischen Testfalls verifiziert. Die anschließende Modellvalidierung erfolgt mit offenen und eingehausten Strahlflammen. Experimentell ermittelte Druckspektren dienen als Referenz. Im Zuge der Validierungsstudien wird die Erweiterung auf volle räumliche und zeitliche Auflösung sowie die Vorhersagequalität absoluter Schalldruckpegel getestet. Ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes, semi-analytisches Modell zur Bestimmung der Strahlflammenspektren dient als Kontrollinstanz und Analysetool. 3D FRPM-CN mit der Modellierung physikalischer Schallausbreitung und dreidimensionaler Schall- quellen sagt absolute Schalldruckpegel der Strahlflammenkonfigurationen für unterschiedliche Richtcharakteristiken des turbulenten Lärms voraus. Hierfür ist praktisch keine künstliche Amplitudenskalierung notwendig. Die Validierung der Methode für komplexe Fragestellungen erfolgt durch die Simulation zweier drallstabilisierter Brenner im Labormaßstab unter atmosphärischen Bedingungen. Der Doppeldrallbrenner sowie der PRECCINSTA Brenner werden mithilfe einer Variation unterschiedlicher Modell- und Simulationsparameter untersucht. In beiden Fällen werden absolute Schalldruckpegel mit 3D FRPM-CN allein auf Grundlage integraler Turbulenzstatistiken und einer Verteilung der Temperaturvarianz in einem definierten Quellgebiet genau wiedergegeben.Item Open Access Ein effizienter Sektionalansatz zur Modellierung von PAHs und nicht sphärischen Rußpartikeln unter technisch relevanten Verbrennungsbedingungen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Eberle, Christian; Gerlinger, Peter (apl. Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten Modells zur Berechnung der Rußmorphologie für numerische Verbrennungssimulationen. Das Modell wurde in den Verbrennungscode THETA implementiert, anhand idealisierter Validierungstestfälle validiert und für Grobstruktursimulationen einer halbtechnischen Brennkammer verwendet. Ruß als unerwünschtes Verbrennungsnebenprodukt hat im Kontext der Feinstaubproblematik gegenwärtig eine hohe Bedeutung. Dass experimentelle Rußuntersuchungen bei technischen Verbrennungssystemen häufig nicht oder nur eingeschränkt anwendbar sind, erklärt die hohe Relevanz der Verbrennungssimulation zur Vorausberechnung von Rußemissionen. Infolge der partikelgrößenabhängigen Toxizität von Feinstaub (und Schadstoffnormen die diesen Sachverhalt entsprechend berücksichtigen) sind dazu Rußmodelle erforderlich, die die Rußgrößenverteilung (PSD) auflösen. Sektionalansätze, wie sie in dieser Arbeit behandelt werden, fallen in diese Kategorie. Eine zentrale Komponente des Verbrennungscodes THETA ist das Finite-Raten-Chemie Modell welches durch simultane Lösung der skalaren Bilanzgleichungen eine vollständige Kopplung von Ruß und dem thermo-chemischen Zustand der Gasphase gewährleistet. Ein Reaktionsmechanismus mit 43 Komponenten und 304 Reaktionen beschreibt die Pyrolyse und die Oxidation von kleinen Kohlenwasserstoffen wie Ethylen sowie die Bildung kleiner Aromaten (Benzol und Toluol). Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) werden durch einen in der vorliegenden Arbeit entwickelten Sektionalansatz mit drei Massenklassen beschrieben, der zwischen PAH-Radikalen und PAH-Molekülen unterscheidet und sich durch eine reversible PAH-Chemie auszeichnet. Simulationen laminarer Vormischflammen demonstrieren, dass diese Modellkomplexität erforderlich ist, um realistische PAH-Größenverteilungen und folglich korrekte Nukleationsraten zu erhalten. Für eine genaue Berechnung der Rußmorphologie ist letzteres von entscheidender Bedeutung, da eine zu starke Rußnukleation im Vergleich zu experimentellen Daten eine zu hohe Teilchendichte und einen zu kleinen mittleren Teilchendurchmesser bewirkt. Ferner beschreibt das PAH-Modell die Instabilität von PAHs bei hohen Temperaturen genau und ist dadurch für Verbrennungssysteme die mit vorgeheizter Luft betrieben werden anwendbar. Das Rußaerosol wird durch einen Sektionalansatz mit logarithmisch skalierten Massenklassen diskretisiert. Schwerpunkte dieser Arbeit waren diesbezüglich die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Beschreibung von fraktalen Rußaggregaten sowie die Implementierung temperaturabhängiger Korrekturfunktionen zur Skalierung der Rußoberflächenreaktivität. Beide Modellerweiterungen trugen dazu bei, dass die Transition von einer nicht rauchenden zu einer rauchenden Diffusionsflamme korrekt abgebildet werden konnte. Ferner zeigte sich, dass die Berücksichtigung von Rußaggregaten insbesondere bei stark rußender Verbrennung wichtig ist, da Modelle mit sphärischen Rußteilchen dort häufig zu große Primärpartikel und damit eine zu kleine Rußoberfläche bewirken. Neben einer genauen Vorhersage der Rußmorphologie erzielt das Modell eine sehr gute Übereinstimmung zu gemessenen Temperaturen sowie zu gemessenen OH-, Benzol- und C2H2-Massenbrüchen. Turbulente Verbrennung wird in dieser Arbeit mit Grobstruktursimulationen (LES, large eddy simulation) untersucht. Bei der LES erfolgt eine Trennung zwischen groben Strukturen, die durch das Rechengitter aufgelöst werden, und feinen Strukturen, die modelliert werden. Dabei stellt die Modellierung der nicht aufgelösten Turbulenz-Chemie-Interaktion eine der größten Herausforderungen der Verbrennungssimulation dar und erfolgt in der vorliegenden Arbeit durch angenommene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (APDF). Zur Beschreibung des intermittenten Charakters der Rußfeinstrukturdynamik wurde eine bimodale APDF implementiert. Die Validierung dieses LES-Verfahrens geschieht anhand einer abgehobenen, turbulenten, rußenden Strahlflamme. Im Vergleich zu RANS-Ergebnissen aus der Literatur ermöglicht die LES eine genauere Vorausberechnung der turbulenten Mischung. Es liegt eine gute Übereinstimmung zu gemessenen Geschwindigkeiten und Temperaturen vor und die Qualität der Rußvorhersage ist über dem Stand der Technik. Die Berücksichtigung von Rußaggregaten bewirkt eine gute Übereinstimmung zu gemessenen Teilchendurchmessern, was ein Indiz für eine korrekte Beschreibung der Rußmorphologie ist. Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen wurde das validierte LES-Model zur Untersuchung einer Modellbrennkammer unter rußenden Betriebsbedingungen verwendet. Berechnete Geschwindigkeiten, Temperaturen sowie die Frequenz der dominanten hydrodynamischen Instabilität weisen eine gute Übereinstimmung zu den Messwerten auf. Der Rußvolumenbruch in der Primärzone sowie der Einfluss des Äquivalenzverhältnisses auf die Rußverteilung werden vergleichbar genau vorhergesagt, jedoch treten diesbezüglich weiter stromab deutliche Unterschiede zwischen LES und Experiment auf. Detailuntersuchungen untermauern die Plausibilität der LES-Ergebnisse unter diesen extrem anspruchsvollen Verbrennungsbedingungen, welche sich durch Äquivalenzverhältnisse nahe der Rußgrenze und eine hohe Disparität zwischen momentanen und mittleren Rußvolumenbrüchen auszeichnen.Item Open Access Entwicklung eines Brennkammersystems mit Abgasrückführung für den Einsatz in Mikrogasturbinen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Hasemann-Seeger, Stefan; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Entwicklung eines FLOX-basierten Brennersystems für eine rekuperierte Mikrogasturbine im kleinen Leistungsbereich(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Seliger-Ost, Hannah; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Während die derzeit auf dem Markt befindlichen Mikrogasturbinen (MGT) zur Kraft-Wärme-Kopplung aufgrund ihrer elektrischen und thermischen Leistung für den Einsatz in Gewerbeobjekten ausgelegt sind, befinden sich Mikrogasturbinen für den Einsatz in kleinen Mehrfamilienhäusern noch in der Entwicklung. Um den elektrischen Wirkungsgrad von MGTs in niedrigen Leistungsklassen zu erhöhen, kommen Hochtemperaturrekuperatoren zum Einsatz, welche zu vergleichsweise hohen Brennkammereintrittstemperaturen führen. Für das Brennkammersystem stellen diese hohen Eintrittstemperaturen eine Herausforderung dar. Insbesondere beim Betrieb mit einer für geringe Stickoxidemissionen erwünschten Vormischung von Luft und Brennstoff bergen die hohen Eintrittstemperaturen in konventionellen Brennersystemen das Risiko eines Flammenrückschlags. Hier bietet sich das Verbrennungskonzept zur Flammenlosen Oxidation (FLOX®) an, welches selbst bei hohen Brennkammereintrittstemperaturen einen vorgemischten Betrieb ermöglicht. Gleichzeitig sorgt es für eine homogene Temperaturverteilung ohne lokale Temperaturspitzen in der Brennkammer, was für niedrige Stickoxidemissionen essentiell ist. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines einstufigen, FLOX® basierten Brennkammersystems für eine Mikrogasturbine mit einer zugeführten thermischen Leistung von < 25 kW, das die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte für NOx- und CO deutlich unterschreitet. Herausforderungen hierbei waren insbesondere die hohen Brennkammereintrittstemperaturen von bis zu 730°C sowie die durch den geringen Bauraum und die geringe Leistungsklasse bedingten Abmessungen der Bauteile. Darüber hinaus sollten die zur Auslegung des Brennkammersystems eingesetzten numerischen Modelle hinsichtlich ihrer Eignung bzw. ihrer Grenzen für die Auslegung derartiger Brennersysteme beurteilt werden. Der Funktionsnachweis über die Einhaltung der Emissionsziele innerhalb des Betriebsbereichs erfolgte auf einem optisch zugänglichen Brennerprüfstand unter atmosphärischen Bedingungen. Darüber hinaus wurden die Einflüsse von thermischer Leistung, Vorwärmtemperatur und Luftzahl auf den Druckverlust, die NOx- und CO-Emissionen sowie auf die Form und Lage der Wärmefreisetzungszone untersucht. Anhand dieser Ergebnisse wurde der Betriebsbereich für den Einsatz in der MGT und die gewünschte Aufteilung zwischen Primär- und Sekundärluft festgelegt. Zusätzlich wurde an ausgewählten Lastpunkten das Strömungsfeld und die Lage der Wärmefreisetzungszone simultan mittels laserbasierter Messtechnik untersucht, um die eingesetzten numerischen Modelle bewerten zu können. Dies war erforderlich, da für diesen Leistungsbereich keine Validierungsdaten zur Verfügung standen und die Auslegung des Brennkammersystems für den Einsatz in der MGT (insbesondere bzgl. der Position und Fläche der Mischluftbohrungen) aufgrund eines fehlenden optischen Zugangs an der MGT mittels numerischer Simulationen erfolgen musste. Anschließend erfolgte die Integration in die MGT und die experimentelle Untersuchung des Brennkammersystems. Im atmosphärischen Brennerprüfstand wies der Brenner einen weiten stabilen Betriebsbereich bei gleichzeitig niedrigen Emissionen auf. Die NOx-Emissionen lagen dabei unabhängig von der thermischen Leistung für den untersuchten Luftzahlbereich deutlich unterhalb des gesetzlichen Grenzwerts. Der CO-Grenzwert wurde im relevanten Leistungsbereich ebenfalls in einem weiten Luftzahlbereich unterschritten. Anhand der Emissionen sowie des Druckverlusts ergab sich für den Volllastfall eine angestrebte Soll-Luftzahl am Brennerkopf von λ = 2,1. Die Bewertung der eingesetzten numerischen Modelle erfolgte anhand der beiden stationären Lastpunkte Voll- und (minimale) Teillast und zeigte, dass die Hauptcharakteristika der Strömung (wie z. B. die innere Rezirkulationszone) wiedergegeben werden. Jedoch wurde die Länge und Breite der Rezirkulationszone von der numerischen Simulation überschätzt, genauso wie die Maximalgeschwindigkeit der eindringenden Jets. Im Volllastfall konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation bzgl. der Lage der Wärmefreisetzungszone erzielt werden; im Teillastfall konnte die Qualität der Simulation unter Berücksichtigung von Wandwärmeverlusten deutlich verbessert werden. Die experimentelle Untersuchung in der Mikrogasturbine zeigte, dass das Brennkammersystem auch hier über den gesamten Betriebsbereich stabil betrieben werden kann. Die NOx-Emissionen lagen dabei im gesamten Betriebsbereich unterhalb des in der TA Luft gesetzten Grenzwerts. Auch die CO-Emissionen unterschritten die Vorgaben der TA Luft signifikant. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das erste einstufige FLOX®-basierte Brennersystem entwickelt, das in einer Mikrogasturbine den gesamten Betriebsbereich von kalter Zündung über Teillast bis hin zu Volllast abdecken kann und das bei gleichzeitiger Einhaltung bzw. deutlicher Unterschreitung der in der TA Luft festgesetzten NOx- und CO-Emissionsgrenzwerte. Zudem konnte gezeigt werden, dass die verwendeten numerischen Modelle sich grundsätzlich für die Auslegung derartiger Brennersysteme eignen.Item Open Access Entwicklung eines Holzgas-Brennkammersystems für die Mikrogasturbine Turbec T100(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2019) Zornek, Timo; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die thermische Vergasung ermöglicht die Nutzung fester Biomasse für die Kraft-Wärme-Kopplung. Bislang konnte sich die Technologie noch nicht etablieren, da eine Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen häufig nicht erreicht wird. Die schwankende Zusammensetzung des erzeugten Brenngases sowie die darin enthaltenen Verunreinigungen verursachen hohe Wartungskosten und erschweren die Zuverlässigkeit der Anlagen. Da Mikrogasturbinen als brennstoffflexibel und wartungsarm gelten, stellen sie eine mögliche Alternative zu den mit Vergasern überwiegend eingesetzten Verbrennungsmotoren dar. Allerdings sind die auf dem Markt erhältlichen Mikrogasturbinen zumeist für konventionelle Brennstoffe wie Erdgas ausgelegt, weshalb sich die vorhandenen Brennkammersysteme nicht für das niederkalorische Brenngas eignen. Bei letzteren ist aufgrund des niedrigen Heizwerts ein erheblich größerer Brennstoffmassenstrom für die gleiche thermische Leistung erforderlich. Weiterhin unterscheiden sich die Verbrennungseigenschaften von dem aus der Vergasung stammenden Holzgas deutlich gegenüber Erdgas. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Entwicklung eines neuen Brennkammersystems, das den Einsatz von Holzgas in der Mikrogasturbine Turbec T100 ermöglicht. Dabei soll ein schadstoffarmer und zuverlässiger Betrieb bei schwankenden Gasqualitäten gewährleistet werden. Hierfür wird in der Arbeit ein Konzept erstellt und bis zur Erprobung eines Prototypen in realer Einsatzumgebung entwickelt. Ein Schwerpunkt bildet die Untersuchung der Brennstoffflexibilität des Systems. Zudem wird das Betriebsverhalten der Turbec T100 mit niederkalorischem Brenngas umfangreich charakterisiert sowie Optimierungspotentiale identifiziert. Das gewählte Konzept enthält zwei Brennerstufen, die unterschiedliche Techniken der Flammenstabilisierung verwenden. Die Geometrie der Hauptstufe, in der mehr als 90 % des Brennstoffs eingebracht werden, ist abgeleitet von dem als schadstoffarm und brennstoffflexibel geltenden FLOX®-Brenner. Als Pilotstufe hingegen dient ein für Holzgas ebenfalls neu entwickelter Drallbrenner, der konzentrisch zur Hauptstufe stromaufwärts angeordnet ist. Die experimentelle Untersuchung des Prototypen erfolgt in vier Schritten. Das Verbrennungsverhalten wird zuerst in einem atmosphärischen Prüfstand durch Messung der OH*-Chemolumineszenz, der Schadstoffemissionen sowie des Druckverlustes analysiert. Die hierfür relevanten Betriebsparameter werden mit einem stationären Mikrogasturbinen-Simulationsprogramm ermittelt und auf atmosphärische Bedingungen skaliert. Durch getrennte Variation der Parameter Luftverhältnis, thermische Leistung, 13Brennstoffzusammensetzung, Lufteintrittstemperatur und Brennstoffstufung erfolgt die Auswahl eines geeigneten Betriebsbereichs für die Mikrogasturbine. Im zweiten Schritt charakterisiert die Arbeit das Betriebsverhalten der mit dem Brennkammersystem ausgerüsteten Turbec T100 unter Verwendung synthetisch gemischter Brenngase. Die Messungen legen ein erfolgreiches Anfahren sowie ein stabiles Betriebsverhalten bei verschiedenen Gaszusammensetzungen und Lastpunkten dar. Am Prüfstand zeigen sich Betriebsgrenzen der Turbec T100 beim Einsatz niederkalorischer Brenngase, da sich durch den enormen Brennstoffmassenstrom die Betriebspunkte von Luftverdichter und Leistungselektronik im Vergleich zum Erdgasbetrieb bedeutend verschieben. Trotzdem erreicht die Turbec T100 elektrische Leistungen von 50 kW bis 100 kW bei deutlicher Unterschreitung der Schadstoffemissionsgrenzwerte. Anhand der Messdaten und numerischen Simulationen werden die Optimierungspotentiale der Turbec T100 für die Nutzung von niederkalorischen Brenngasen aufgezeigt. Zur Untersuchung des Verbrennungsverhaltens des entwickelten Brennkammersystems und zur näheren Betrachtung der Brennstoffflexibilität dient eine an die Turbec T100 angeflanschte optische Brennkammer. Diese ermöglicht die Messung der OH*-Chemolumineszenz sowie der OH-PLIF in einer Ebene durch die Düsen der Hauptstufe. Die damit gewonnenen Ergebnisse belegen das robuste Verhalten, da sich die Position und Form der Flammen in der Hauptstufe für verschiedene Leistungen vernachlässigbar gering verändern. Die Reduktion des Wasserstoffanteils im Brenngas weit unter die in Holzgas üblichen Konzentrationen zeigt eine deutlich veränderte Flammenstabilisierung für Brenngasmischungen, die keinen oder nur geringe Konzentrationen von Wasserstoff aufweisen. Hierbei wird die Bedeutung des Wasserstoffs und der Einfluss der durch den Wasserstoffanteil beeinflussten Zündverzugszeit ersichtlich. Die positiven Ergebnisse aus den Prüfständen werden durch die Erprobung der entwickelten Brennkammer in einer Demonstrationsanlage, bei der eine bestehende Holzvergaseranlage mit einem neu aufgebauten MikrogasturbinenBHKW gekoppelt wird, bestätigt. Zwar zeigen sich beim gekoppelten Betrieb Probleme im Anfahrvorgang mit Heizwerten geringer als 3 MJ/kg, dies beruht jedoch darauf, dass sich der Vergaser dieser Anlage im Fackelbetrieb nicht ausreichend aufheizen lässt. Im stationären Betrieb belegen die Ergebnisse das robuste Verhalten der Mikrogasturbine bei schlagartig schwankenden Gasqualitäten. Mit Abschluss der Arbeit liegt ein Brennkammersystem vor, dass die Kopplung der Mikrogasturbine mit Festbettvergasern ermöglicht. Ein stabiler Betrieb wird von 50 kWel bis 100 kWel erreicht, wobei die gesetzlichen Grenzwerte der Schadstoffemissionen im gesamten Bereich weit unterschritten werden. Die hohe Brennstoffflexibilität des Brennkammersystems gewährleistet zum einen den stabilen Betrieb mit Vergasern zum anderen bietet es auch Potentiale zur Nutzung anderer niederkalorischer Brenngase. Neben den technischen Errungenschaften demonstriert die Arbeit eine erfolgreiche Vorgehensweise zur Auslegung und Implementierung eines Brennkammersystems für Mikrogasturbinen.Item Open Access Entwicklung eines jet-stabilisierten Brennkammersystems für niederkalorische Brennstoffzellenabgase(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Bücheler, Sandro; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Eine Technologie, welche die Ansprüche eines hocheffizienten und sauberen Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit höchster Last- und Brennstoffflexibilität verspricht, ist das sogenannte SOFC/MGT-Hybridkraftwerk. Bei diesem Konzept wird eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit einer Mikrogasturbine (MGT) kombiniert, um die hochtemperierten und niederkalorischen SOFC-Abgase für die weitere Energieumwandlung in der nachgeschalteten Mikrogasturbine zu nutzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung eines Hybridkraftwerks durch die Entwicklung eines geeigneten Brennkammersystems zu leisten, welches die Kopplung der beiden Teilsysteme SOFC und MGT ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung eines kompakten Brennkammerprototypen, der sowohl den Anforderungen einer SOFC als auch denen einer Mikrogasturbine genügt. Zum Nachweis der Funktionalität und zur Ermittlung des Betriebsbereichs des Brennkammerprototypen unter Verwendung von SOFC-Abgasen werden atmosphärische Brennkammerversuche durchgeführt. Die Ergebnisse aus den OH* Chemolumineszenz- und Abgasemissionsmessungen werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Desweiteren werden zur Validierung der verwendeten CFD-Methoden für die Auslegung mit SOFC-Abgasen die Simulationsergebnisse mit den Messungen im atmosphärischen Prüfstand verglichen. Um für den Aufheizvorgang des Hybridkraftwerks Erdgas als Brennstoff einsetzen zu können, werden weitere Versuche unter Verwendung von Erdgas durchgeführt und vorgestellt. Abschließend werden die im Rahmen dieser Arbeit geleisteten Fortschritte in der Entwicklung eines Brennkammersystems für das Hybridkraftwerk zusammengefasst und diskutiert.Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Entwicklung und Anwendung von Hochgeschwindigkeits-Lasermesstechnik zur Untersuchung von Selbstzündung(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2017) Arndt, Christoph M.; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Selbstzündung ist ein komplexer Prozess, der in vielen technischen Systemen von großer Bedeutung ist. In Dieselmotoren und Motoren mit homogener Kompressionszündung wird die Verbrennung nicht durch eine externe Zündquelle wie eine Zündkerze, sondern durch Selbstzündung initiiert. In der Gasturbinenverbrennung kann Selbstzündung in Brennkammersystemen mit Rezirkulation zur Flammenstabilisierung beitragen, muss aber in Mischstrecken, z. B. bei der sequentiellen Verbrennung oder bei der mageren Vormischverbrennung, verhindert werden, um erhöhte Schadstoffemissionen sowie eine Beschädigung der Anlage zu vermeiden. Da Selbstzündung auf Zeitskalen im Millisekundenbereich abläuft, ist für experimentelle Untersuchungen eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich. Aufgrund der experimentellen Komplexität der Untersuchung von Selbstzündung sind Teilprozesse wie die Entstehung von Zündkernen bislang nicht ausreichend untersucht. Für die Validierung von numerischen Simulationen sind zudem quantitative Messdaten mit gut definierten Randbedingungen notwendig. Ziel dieser Arbeit war es daher, quantitative laseroptische Messtechniken mit hoher zeitlicher Auflösung sowie passende Datenauswertungsalgorithmen zur Untersuchung von Selbstzündung zu entwickeln. Da Selbstzündung extrem sensitiv auf Randbedingungen wie Temperatur oder lokale Gemischzusammensetzung reagiert, wurde ein Versuchsträger mit gut definierten und reproduzierbaren Randbedingungen, der DLR Jet-in-Hot-Coflow Brenner, entwickelt. Hier wird kalter Brennstoff (Methan oder Propan) mit einer Temperatur von 300K in das heiße, sauerstoffhaltige Abgas einer mageren Wasserstoff-Luft-Flamme, die auf einer wassergekühlten Sintermetallmatrix stabilisiert wird, eingedüst. Die Coflowtemperatur wurde über einen großen Bereich zwischen etwa 1280K und 1800K variiert. Der Brennstoff konnte sowohl kontinuierlich zur Untersuchung stationärer Flammen als auch transient zur Untersuchung der Bildung von Zündkernen eingedüst werden. Während eines Forschungsaufenthaltes an der Ohio State University wurden Temperatur, Mischungsbruch und der quadrierte Gradient des Mischungsbruchs als Maß für die skalare Dissipationsrate mit planarer Rayleigh-Streuung bei einer Pulswiederholrate von 10 kHz bestimmt. Am DLR Stuttgart wurden detaillierte Messungen von planarer laserinduzierter Fluoreszenz (PLIF) an OH bei 10 kHz Pulswiederholrate und OH-Chemolumineszenz (CL) bei 20 kHz Bildrate für eine Vielzahl von Coflowtemperaturen, sowie Coflow- und Jetgeschwindigkeiten durchgeführt. Für OH PLIF wurde ein Ansatz zur Quantifizierung des Messsignals entwickelt. Zur Analyse der Flammenstabilisierung und zur Erstellung eines Validierungsdatensatzes für numerische Simulationen wurden Messungen mit kontinuierlicher Brennstoffzufuhr durchgeführt. Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen von Temperatur und OH-Konzentration zeigten, dass die Flammenstabilisierung teilweise durch Selbstzündung erfolgt. OH CL-Messungen zeigten die Bildung und das Wachstum von Zündkernen unterhalb der Flammenwurzel, bis diese schließlich mit der Flammenwurzel verschmolzen. Die Abhebehöhe der Jetflamme reagierte äußerst sensitiv auf die Coflowtemperatur, je nach Temperaturbereich konnte eine Änderung der Temperatur von 5% (entspricht 80 K) zu einer Verdoppelung der Abhebehöhe führen. Die Abhebehöhe skalierte nahezu linear mit der Jetgeschwindigkeit, ein Einfluss der Coflowgeschwindigkeit auf die Abhebehöhe wurde nicht festgestellt. Um Entstehung und Wachstum von Zündkernen zu untersuchen, wurden Versuche mit transienter Brennstoffzufuhr durchgeführt. Der zeitliche Verlauf der Mischungsbruchfelder während der Brennstoffeindüsung wurde charakterisiert und erwies sich als sehr reproduzierbar. Der Brennstoffjet ging in einen stationären Zustand über, bevor erste Zündkerne auftraten. Um die räumliche Lage von Zündkernen rekonstruieren und somit bei der Anwendung planarer Messtechniken Zündkerne identifizieren und detailliert untersuchen zu können, die innerhalb der Messebene entstehen, wurde OH CL aus zwei Blickrichtungen aufgenommen. Zündkerne bildeten sich stromauf von Ausbuchtungen des Brennstoffjets, also in Gebieten, in denen eine niedrige skalare Dissipationsrate und eine erhöhte Aufenthaltszeit durch Wirbel erwartet werden. Die Coflowtemperatur sowie die Coflow- und Jetgeschwindigkeit beeinflussten Zündzeitpunkt und -höhe deutlich, wobei die Coflowtemperatur den stärksten Einfluss hatte. Zur Unterstützung der Interpretation der Messergebnisse wurden im Rahmen einer Kooperation am Karlsruher Institut für Technologie 1D-Simulationen von zündenden Grenzschichten in einer Gegenstromanordnung bei den hier untersuchten Randbedingungen durchgeführt und der Einfluss von Streckung auf die Selbstzündung bewertet. Zündung trat dabei in sehr mageren Bereichen beim reaktivsten Mischungsbruch auf, anschließend wanderte die Reaktionszone hin zu stöchiometrischen Mischungen, bei denen die Flammengeschwindigkeit maximal ist. Mit planaren Rayleigh-Messungen wurden die Bedingungen am Ort der Zündung analysiert und statistisch ausgewertet. Zündkerne bildeten sich bei sehr mageren Mischungsbrüchen und in Gebieten mit niedriger skalarer Dissipationsrate. Das Zündkernwachstum bei verschiedenen axialen Positionen, d. h. Positionen mit unterschiedlicher mittlerer skalarer Dissipationsrate, zeigte, dass die skalare Dissipationsrate nicht nur den Zündzeitpunkt und -ort, sondern auch das Zündkernwachstum beeinflusst. Erstmals konnte mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung die Entstehung von Zündkernen untersucht werden und daraus ein Bildungsmechanismus für Zündkerne abgeleitet werden. Weiterhin steht ein einzigartiger Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Hohloch, Martina; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Ein Hybridkraftwerk, eine Kopplung von Gasturbine (GT) und Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), bietet langfristig gesehen den höchsten elektrischen Wirkungsgrad. Durch seine gute Skalierbarkeit ist das Hybridkraftwerk sowohl im dezentralen Bereich als auch im Bereich der Großkraftwerke einsetzbar. Hierbei können je nach Anlagengröße elektrische Wirkungsgrade von 60 % bei kleinen Anlagen bis hin zu 70 % bei Großanlagen erreicht werden. Die Firma Siemens Westinghouse konnte mit einem Demonstrator bereits im Jahre 2000 die generelle Machbarkeit eines Hybridkraftwerks zeigen. Die Firma Mitsubishi Hitachi Power Systems führt seit 2016 Demonstrationstests durch. Für die Weiterentwicklung des Hybridkraftwerks und für das Verständnis der Zusammenhänge im System ist jedoch, aufgrund der Unterschiede der beiden Subsysteme Gasturbine und SOFC, noch ein hoher Forschungsaufwand notwendig. Während bei Gasturbinen typischerweise hohe Druck- und Temperaturgradienten auftreten, stellt die SOFC ein träges System dar, bei dem strenge Limitierungen in den genannten Gradienten sowie Druckdifferenzen einzuhalten sind. Um bei der Untersuchung der einzelnen Subsysteme unter Hybridkraftwerksbedingungen das Risiko einer Beschädigung der jeweiligen anderen Komponente zu umgehen, bietet sich der Einsatz von Hybridkraftwerksversuchsanlagen an, bei welchen ein Subsystem durch einen Simulator ersetzt wird, der die Eigenschaften der realen Komponente möglichst genau nachbilden kann. Prinzipiell sind in einem Hybridkraftwerk unterschiedliche Verschaltungen der Subsysteme denkbar. Dabei kann die SOFC unter Druck oder atmosphärisch betrieben werden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurden mittels numerischer Untersuchungen verschiedene Varianten hinsichtlich Wirkungsgrad und Betriebsbereich analysiert. Als Basis für die Simulationen wurde eine kommerziell erhältliche Turbec T100PH Mikrogasturbine (MGT) mit einer elektrischen Leistung von 100 kWel und ein tubulares SOFC System der Firma Siemens ausgewählt. Dabei zeigte sich, dass der höchste elektrische Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die SOFC in den Gasturbinenkreislauf zwischen Rekuperator und Turbine integriert wird. Die SOFC sollte dabei eine Größe von 1152 Zellen haben um einen möglichst großen Betriebsbereich zu bieten. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Betriebskonzepts für die Turbec T100PH Mikrogasturbine in einem MGT/SOFC Hybridkraftwerk. Dabei sollten das bestehende Steuerungs- und Regelungssystem und die Komponenten der originalen Mikrogasturbine mit nur möglichst geringen Modifikationen übernommen werden. Das Betriebskonzept umfasst den Start, Aufheiz- und Abkühlvorgänge an der SOFC, Lastwechsel und das Herunterfahren der Anlage sowie den Einsatz von Notfallmanövern in kritischen Betriebszuständen. Als Grundlage für die Untersuchungen wurde auf Basis der Turbec T100PH ein Prüfstand aufgebaut und detailliert instrumentiert. Die Mikrogasturbine wurde sowohl in transienten Manövern als auch in stationären Punkten charakterisiert. Mit Hilfe der Untersuchungen konnte ein Basisdatensatz erzeugt werden, der sowohl für den Vergleich mit der Hybridkraftwerksversuchsanlage herangezogen, als auch zur Validierung von numerischen Modellen eingesetzt werden kann. Für die Hybridkraftwerksversuchsanlage wurde anstelle einer realen SOFC ein Simulator entworfen und aufgebaut, der das Volumen der Kathodenseite, den Druckverlust, die Aufenthaltszeit und die Austrittstemperatur einer SOFC nachbilden kann. Der SOFC Simulator wurde über ein Rohrleitungssystem mittels verschiedener Stränge mit der Mikrogasturbine gekoppelt. Über den Hauptpfad ist er zwischen Rekuperatoraustritt und Brennkammereintritt integriert und kann über einen Bypass-Strang umgangen werden. Ein weiterer Strang, der vom Verdichteraustritt zum Simulator führt, kann für Aufheiz- und Abkühlvorgänge eingesetzt werden. Die Komponenten des Hybridkraftwerksaufbaus wurden schrittweise in den MGT Prüfstand integriert, um ihren Einfluss auf den stabilen Betriebsbereich und das Betriebsverhalten der MGT zu analysieren. Die Untersuchungen zeigten dabei einen eingeschränkten Betriebsbereich der Hybridkraftwerksversuchsanlage aufgrund des erhöhten Druckverlusts, der durch die Komponenten zwischen Verdichter und Turbine aufgebracht wird. Die transienten Manöver Start, Stopp und Lastwechsel, sowie Strangumschaltungen und Notfallmanöver wurden in unterschiedlichen Varianten mit Hilfe der verschiedenen Stränge getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für das Betriebskonzept bewertet. Dabei konnte gezeigt werden, dass alle für einen Hybridkraftwerksbetrieb notwendigen Manöver trotz gewisser Einschränkungen durchführbar sind. Gleichzeitig wurden Optimierungspotenziale an der MGT für ein real gekoppeltes Hybridkraftwerk aufgezeigt. Darüber hinaus wurde der Effekt unterschiedlicher SOFC Austrittstemperaturen auf den Betrieb der Gesamtanlage untersucht. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden die am besten geeigneten Vorgehensweisen für die jeweiligen Manöver ausgewählt und nochmals mit dem Fokus auf das SOFC System analysiert, bevor in einem letzten Schritt das Betriebskonzept abgeleitet wurde. Für ein Hybridkraftwerk auf Basis einer kommerziellen Turbec T100PH konnte somit erfolgreich ein erstes Betriebskonzept aufgestellt werden. Gleichzeitig zeigt die Arbeit aber auch Optimierungspotenziale an der MGT, vor allem im Bereich der Brennkammer, um einen weiten, stabilen Betriebsbereich zu erreichen.Item Open Access Entwicklung und Test eines Modell-Reaktors für die Untersuchung der thermochemischen Umwandlung von Biomassesuspensionen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Özuylasi, Göksel; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)In dieser Arbeit wurde ein Forschungs- und Modell-Reaktor entwickelt, der die thermochemischen Prozesse in Flugstromvergasern bei der Umwandlung von Biomasse zu Synthesegas modelliert. Die vielfältig möglichen experimentellen Untersuchungen mit Hilfe des HTFPR helfen einerseits, diese physikalisch-chemischen Vorgänge besser zu verstehen und andererseits, bisher nicht verfügbare Validierungsdaten für numerische Modelle und Simulationsverfahren bereitzustellen.Item Open Access Erstellung und Validierung eines modularen Simulationswerkzeugs zur Analyse des dynamischen Verhaltens von Mikrogasturbinen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2018) Henke, Martin; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Mikrogasturbinen (MGT) haben aufgrund ihrer schadstoffarmen Verbrennung und der hohen Gesamteffizienz im Blockheizkraftwerksbetrieb gute Voraussetzungen, um sich im aufsteigenden Markt der dezentralen Energieversorgung zu behaupten. Aufgrund ihrer hohen Brennstoffflexibilität können sie auch mit regenerativen Brennstoffen oder niederkalorischen Industrieabgasen betrieben werden. Die MGT-Technologie stellt zudem eine wichtige Forschungsbasis für eine Vielzahl zukünftiger Entwicklungen dar. So kann beispielsweise durch eine geänderte Verschaltung der Komponenten ein Inverted Brayton Cycle realisiert werden, mit dem niedrige Leistungsbereiche effizient erschlossen werden können. Ebenfalls kann die MGT mit einer Festoxidbrennstoffzelle als Hybridkraftwerk betrieben werden, mit einem prognostizierten elektrischen Wirkungsgrad von über 65 %. Numerische Prozesssimulationen sind ein wichtiges Werkzeug zur Verwirklichung dieser Konzepte. Mit ihnen kann das dynamische Verhalten der Anlagen im Vorfeld simuliert werden, um Betriebs- und Regelkonzepte zu entwerfen, transiente Manöver zu untersuchen und Systemabhängigkeiten festzustellen. Die hierfür eingesetzten 0D/1D Modelle werden in der Literatur oftmals eingeteilt in hochdetaillierte, nichtlineare Modelle, die weite Betriebsbereiche genau abbilden können, und einfachere Modelle, die schnelle Berechnungen ermöglichen und damit für umfangreiche Parameterstudien geeignet sind. Demgegenüber beschreibt die vorliegende Dissertation die Entwicklung und Validierung eines Simulators, der beiden Anforderungen gerecht wird. Das transiente, nichtlineare Verhalten MGT-basierter Kraftwerke wird detailliert abgebildet. Dabei übertrifft die Rechengeschwindigkeit bei der Simulation einer MGT der 100 kWel-Klasse die Prozessgeschwindigkeit um das Fünffache. Zu Beginn der Arbeit wird das Konzept der recheneffizienten Kopplung von Simulationsmodellen präsentiert. Dieses Konzept ermöglicht es beliebige Kreisläufe modular zu verschalten, ohne algebraische Abhängigkeiten zu schaffen, die rechenzeitintensiv gelöst werden müssten. Darauf aufbauend wird das Gas- und Thermodynamikmodell vorgestellt. Das Modell erlaubt durch seinen Ansatz der überlappenden Kontrollräume die korrekte Berücksichtigung des Gasvolumens in den Bilanzgleichungen der Energie, der Spezies, der Masse und des Impulses. Ebenso wird die Softwarearchitektur der in Fortran geschriebenen Simulationsumgebung beschrieben und die Interaktion ihrer Komponenten veranschaulicht. Daraufhin werden alle zur MGT-Simulation benötigten Bauteilmodelle hergeleitet und Möglichkeiten zur Erhöhung der Recheneffizienz und Modellgenauigkeit diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Simulator anhand von Messdaten eines Turbec T100 MGT-Prüfstands validiert. Hierfür wird ein Modell der T100 MGT erstellt und im Anschluss das Vorgehen zur Identifikation der Modellparameter beschrieben. Für die Validierung werden alle angefahrenen, stationären Betriebspunkte der MGT berücksichtigt und neben unterschiedlichen Lastwechselmanövern auch ein Kaltstartmanöver und ein Abfahrmanöver untersucht. Die Validierungsergebnisse bestätigen, dass der Simulator den komplette Lastbereich und die transienten Manöver in guter Übereinstimmung mit den Messdaten wiedergeben kann. Zusätzlich wird anhand von Simulationen mit reduzierten Bauteilwärmekapazitäten der Einfluss der Bauteilwände auf die Prozessdynamik diskutiert und die Notwendigkeit der Wärmestrom- und -speichermodelle demonstriert.Item Open Access Experimental study of oxyfuel combustion for stationary gas turbine applications(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2017) Kapadia, Bhavin K.; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Oxyfuel combustion is a concept proposed for the implementation of carbon capture and storage (CCS) technologies in coal and gas turbines power plants to prevent emission of carbon dioxide into the atmopshere. In order to apply the concept to gas turbines power plants, they have to be modified or alternatively new cycles need to be developed for using this concept. Amongst the different cycles proposed those involving oxygen and carbon dioxide as working fluid offer simplicity of design together with promising carbon capture and cycle efficiencies. New burners need to be designed for use in such oxyfuel gas turbines. The combustion characteristics of such burners would strongly depend on the proportion of oxygen and carbon dioxide in the oxidizer. In this work oxyfuel combustion with a mixture of oxygen and carbon dioxide as oxidizer has been studied experimentally using a well-researched methane-air swirl burner with an optically accessible combustion chamber. Partially premixed swirl stabilized oxyfuel flames have been investigated using optical measurement techniques at atmospheric and elevated pressure conditions. The effect of changing parameters such as carbon dioxide dilution, flow velocity, equivalence ratio, and thermal power on flame stabilization, flow field and flame chemistry has been studied. The investigations were performed under conditions of comparable thermal power and inlet flow velocity for different carbon dioxide dilutions. A strong dependence of the flame shape and stability on carbon dioxide dilution was observed at similar thermal powers and inlet flow velocities. Flames containing less than 26 % oxygen in the oxidizer could not be stabilized, while 26 % oxygen flames showed poor stabilization over a wide operating range. Flames with 30 % oxygen were predominantly stable over a large range of operation and had a typical conical swirl flame shape. Flames with an oxygen concentration higher than 30 % showed a flat flame shape and excited thermo-acoustic oscillations. A comparison to air flame behavior showed similarity between the influences of carbon dioxide dilution in oxyfuel flames to a change in equivalence ratio for air flames. Laser Raman Spectroscopy measurements revealed that despite similar conical flame shape of 30 % oxygen oxyfuel and lean air flames, the stabilization of the oxyfuel flame was poorer due to the lower reactivity. The 30 % oxygen flame and air flames were investigated under elevated pressure conditions with a modified version of the atmospheric burner with optical access to the combustion chamber. At conditions of increased oxidizer preheat and elevated pressure an unconventional flame shape was observed, where the flame burned at close proximity to the burner plate and chamber windows. A change in burner aerodynamics at elevated pressure was identified as the cause for the unconventional flame shape. The burner design for oxyfuel gas turbines is dependent on the carbon dioxide dilution intended to be used. The investigations showed unsuitability of using partially premixed combustion for low oxygen concentrations. The high oxygen concentration flames are thought to be suitable for a staged combustion concept where the higher reactivity of such flames would be useful for pilot flame stabilization and keeping overall temperatures in an acceptable region for the gas turbine. At the end of the work the differences between air and oxyfuel combustion are summarized and an overview is presented of burner configurations favorable for use in real oxyfuel gas turbines.Item Open Access Experimentelle Charakterisierung eines atmosphärisch betriebenen, FLOX-basierten Mikrogasturbinenbrenners für Erdgas(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2016) Zanger, Jan; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Als Baustein bei der Umsetzung der Energiewende bieten sich dezentrale, gasturbinen-basierte Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung an, da diese neben elektrischer Energie ebenfalls Wärme in einem nutzbaren Umfang zur Verfügung stellen. Gleichzeitig ermöglicht die gute Teillastfähigkeit der Mikrogasturbine (MGT) eine dynamische Pufferung von Netzschwankungen. Um MGTs im Vergleich zu Gasmotoren konkurrenzfähiger zu gestalten, ist eine weitere Optimierung des elektrischen Anlagenwirkungsgrads notwendig. Darüber hinaus würden weitere Verbesserungen der Systemkomponenten hinsichtlich Schadstoffemissionen, Brennstoffflexibilität und Zuverlässigkeit die Marktfähigkeit der MGT Systeme weiter fördern. Dabei kommt der Gasturbinenbrennkammer als einer der Kernkomponenten eine entscheidende Bedeutung zu. Ein vielversprechendes Konzept zur Erreichung der herausfordernden Ziele ist der Einsatz der Flammenlosen Oxidation (FLOX®), welche sich im Industrieofenbau durch geringe Schadstoffemissionen, hohe Brennstoffflexibilität und geringen Druckverlust auszeichnet. Auf der anderen Seite wurde dieses Verbrennungsverfahren bisher noch nie in einer Gasturbinenbrennkammer unter realen Bedingungen eingesetzt. Das Ziel ist daher die Entwicklung eines erdgasbetriebenen, FLOX®-basierten Brennersystems für eine Turbec T100 MGT, welche im gesamten gasturbinen-relevanten Lastbereich zuverlässig und emissionsarm betrieben werden kann. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der experimentellen Charakterisierung von neuen FLOX®-Brennervarianten auf einem atmosphärischen Einzelbrennerprüfstand. Dabei wurden MGT-typische Vorwärmtemperaturen und druckskalierte Massenströme realisiert, so dass eine Emulation des MGT-Betriebs möglich war. Zunächst wurden anhand eines einstufigen, teilvorgemischten FLOX®-Brenners das grundlegende Verbrennungsverhalten, die Abgasemissionen und der mögliche Arbeitsbereich als Funktion der Vorwärmtemperatur, der Luftzahl und der thermischen Leistung analysiert. Eingesetzt wurden hier sowohl die Detektion der OH*-Chemolumineszenz zur Charakterisierung der globalen Reaktionszonen als auch eine Gasanalytik zur Messung der Schadstoffemissionen. Die Brenner wiesen insgesamt einen weiten Arbeitsbereich auf mit einer Luftzahl beim mageren Verlöschen des Volllastpunkts von 3,1. Bei Teillast stiegen die erreichbaren Luftzahlen weiter an. Die Flammenuntersuchungen zeigten bei kleinen Luftzahlen diskrete, separierte Reaktionzonen oberhalb der Düsenaustritte, welche mit steigender Luftzahl zu einer homogenen Reaktionszone verschmolzen und ab einer Grenzluftzahl insgesamt ins Volumen expandierten. Ein vergleichbares Verhalten wurde beim Absenken der Vorwärmtemperatur sowie bei der Reduzierung der thermischen Leistung beobachtet. Dieses Verhalten konnte in Beziehung zur leistungs- und vorwärmtemperatur-spezifischen, mageren Verlöschgrenze gesetzt werden, was eine globale Beschreibung des Verhaltens ermöglichte. Trotz des weiten Arbeitsbereiches des einstufigen Brenners zeigte sich beim Vergleich mit der MGT-Lastlinie die Notwendigkeit zu einer Verbesserung der Stabilisierung bei Teillast. Daher wurde eine zweistufige Brennervariante mit zentral angeordneter, drall-stabilisierter Pilotstufe entwickelt. Durch den Pilotbrenner konnte bei Teillast eine deutliche Erweiterung des Arbeitsbereichs erzielt werden. Um die Interaktion zwischen Pilot- und Hauptstufe sowie die Turbulenz-Chemie-Interaktion näher untersuchen zu können, wurden an ausgewählten Lastpunkten die planare laserinduzierte Floureszenz am OH-Radikal (OH-PLIF) und Particle Image Velocimetry (PIV) in verschiedenen Lichtschnittebenen gemessen. Die Erfassung der Messsignale erfolgte an einigen Lastpunkten simultan. Anhand der aus den OH-PLIF Daten abgeleiteten lokalen Reaktionszonen konnte ebenfalls eine starke Vergrößerung des eingenommenen Reaktionsraums für steigende Luftzahlen beobachtet werden. Ferner wurde der Einfluss des Pilotbrenners auf die Stabilisierung der Hauptstufe beschrieben. Des Weiteren wurde mittels der PIV Daten eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone quantifiziert, welche Radikale und Wärme zu den eintretenden Frischgasstrahlen zurückführt. Durch die Kombination aus OH-PLIF und PIV Daten konnte gezeigt werden, dass die Turbulenz-Chemie-Interaktion mit steigender Luftzahl stark zunimmt und das Verbrennungsverhalten signifikant beeinflusst. Ausgewählte Lastpunkte wurden dabei in das Diagramm zur Klassifizierung turbulenter Vormischflammen eingeordnet und wiesen an der Stelle, an welcher die Verbrennung ins Volumen expandierte, einen Regimeübergang auf. Abschließend wurde eine erste Optimierung der Brennstoffaufteilung zwischen Haupt- und Pilotstufe hinsichtlich der Abgasemissionen für alle MGT-relevanten Lastpunkte durchgeführt. Dabei wurden bei Vollastbedingungen NOx-Emissionen von 5 ppm (bei 15 Vol-% O2), CO-Werte von 20 ppm und UHC-Emissionen unterhalb der Nachweisgrenze erzielt. Ferner wurde ein relativer Brennerdruckverlust von 2,9% erreicht. Im Rahmen der Arbeit wurde ein im gesamten MGT-Arbeitsbereich voll funktionsfähiger, emissionsarmer, zweistufiger FLOX®-Brenner entwickelt. Mit Hilfe der eingesetzten Messtechniken wurden für die Brennervarianten eine systematische Charakterisierung des Flammenverhaltens durchgeführt und ein umfangreicher Datensatz generiert, welcher als Basis für eine Validierung der im Entwicklungsprozess eingesetzten numerischen Modelle dient.
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