06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Abluftreinigung flüchtiger Kohlenwasserstoffe in einer Mikrogasturbine : Betrachtung von Regelung und Brennkammer(2021) Schwärzle, Andreas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Advanced computational methods in identification of thermo-acoustic systems(2011) Kostrzewa, Krzysztof; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)The use of fossil fuels in power generation has a significant impact on the environment. Even the burning of natural gas, considered as the cleanest of all commonly available fossils fuels, is generally associated with emissions of many dangerous air pollutants. In the last decades, additional environmental constrains have been introduced to reduce the emissions from gas turbines. The primary focus has been especially placed on nitrogen oxide (NOx) to minimize its emissions to acceptable values. This reduction has been partially accomplished by utilizing a lean-premixed flame rather than the standard diffusion type flame. The biggest disadvantage of these combustion systems is that they are very prone to thermo-acoustically induced oscillations as a result of a complex feedback mechanism between pressure and heat release fluctuations, which may lead to uncontrolled high-pressure amplitude oscillations inside the combustor at certain operating conditions In order to predict the linear stability of partially premixed combustion systems in industrial-scale gas turbines, a detailed acoustic characteristic for each of the major components is required. Sudden changes in the combustion process of gas turbines in order to reduce emissions may result in large amplitude pressure oscillations associated with a coupling between the natural acoustic modes of the combustor and the unsteady heat release from the flame. Detailed one-dimensional acoustic network models have to be built up to represent entire combustion systems. These models consist of ducts, diffusers, junctions and a flame element. Time delay elements have to be applied to describe properly the interactions between acoustics and heat release fluctuations and to investigate the stability of the system using linear stability theory. The main goal of this work is to develop and to validate technically relevant tools to mitigate the consequence of an occurrence of combustion instabilities. From the acoustic modeling point of view, the combustion system elements can be characterized either by their acoustic transfer matrices or by flame transfer functions. A description of the burner and flame are of main importance. In this study, acoustic characteristics of a sudden change of area, a truncated teardrop specimen, an atmospheric generic swirl burner, and a prototype industrial burner at elevated pressure have been made by means of unsteady flow simulations and system identification. A comprehensive process for the computation of such CFD/SI based characteristics has been shown. Whenever possible the results have been validated and compared with the experimental and theoretical data. In the case of the prototype industrial burner at elevated pressure it has been demonstrated that using the CFD based flame transfer function it is possible to improve the overall gas turbine combustion system stability prediction. In addition to these calculations, LES-like computations of an atmospheric swirl burner, and a prototype industrial burner at elevated pressure have been performed. It allows for the determination of flame and flow dynamics, which might drive the stability of the entire combustion system. In the case of an atmospheric swirl burner, the LES-based flow field has also been forced at discrete frequencies to visualize the development of coherent structures in the combustion chamber. Similarly, to the experiments, the evaluation of coherent structures is captured. The numerical visualizations are then compared with the experimental findings. Finally, an exemplary calculation of self-excited oscillations has been made in order to demonstrate that commercial CFD codes are able to capture these kinds of instabilities. The unstable frequencies found during the computation have been benchmarked employing one-dimensional acoustic network code.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 Die Anwendung eines probabilistischen Partikelmodells für die Modellierung der turbulenten Verbrennung in Brennkammern(2011) Aumeier, Thomas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Modellierung von Verbrennungsvorgängen in turbulenten Strömungen ist eine wichtige Voraussetzung, um deren Auswirkungen auf die Strömung berechnen und Vorhersagen zu Auslegungs- und Optimierungsarbeiten treffen zu können. Durch die Vielzahl von den an Verbrennungsreaktionen teilnehmenden Stoffen sowie den bei der Verbrennung zu durchlaufenden Reaktionspfaden in Form der Reaktionsgleichungen entstehen komplexe chemische Systeme, die mit geeigneten Verfahren gelöst werden müssen und zugleich den Einfluss der Turbulenz in den zeitlich gemittelten Erhaltungsgleichungen berücksichtigen. Im Gegensatz zur Strömung finden die chemischen Reaktionen auf einem wesentlich breiteren zeitlichen Spektrum statt und laufen auf molekularer Ebenen ab. Die Formulierung der Gleichungen für die bei chemischen Reaktionen auftretenden Reaktionsraten ist durch eine Lagrangsche Beschreibung charakterisiert und nur von der Zeit abhängig. Bei der Modellierung werden je nach Anwendungsfall spezifische Verbrennungsmodelle für die in der Praxis auftretenden Verbrennungsregime eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell für die Berücksichtigung der Chemie-Turbulenz Interaktionen in anwendungsnahen Brennkammern vorgestellt, welches sowohl für Diffusions- und Vormischflammen als auch in teilvorgemischte Flammen eingesetzt werden kann. Mit Hilfe des Modells werden die zeitlich gemittelten chemischen Quellterme berechnet und in die Transportgleichungen der beteiligten Stoffe und die Energiegleichung des kommerziellen Strömungslösers FLUENT® eingebunden. Die Einbindung erfolgt über eine von FLUENT® bereitgestellte benutzerorientierte Schnittstelle, den sogenannten User Defined Functions (UDF). Es werden die Transportgleichungen aller an der Reaktion beteiligten Stoffe gelöst und deren Quellterme mit Hilfe eines detaillieren Reaktionsmechanismus berechnet. In dem hier entwickelten Modell erfolgt die zeitliche Mittelung und damit die Modellierung durch die Betrachtung einer großen Anzahl von Partikeln, für die zusätzliche Lagrangesche Gleichungen für jedes Partikel gelöst werden. Grundlage des Modells bildet die Berechnung von Trajektorien sogenannter fluider Partikel, die sich mit dem turbulenten Strömungsfeld bewegen. Auf ihrem Weg durch das Strömungsfeld finden an jedem Partikel Austauschprozesse in Form der Durchmischung mit ihrer Umgebung als auch chemische Reaktionen statt. Die Umgebung wird durch das mittlere Strömungsfeld in direkter Partikelnähe repräsentiert und wird lokal durch eine Rechenzelle definiert. Auf Partikelebene müssen die Austauschvorgänge modelliert werden. Dabei wird das einfache IEM (Intermediate Exchange by the Mean) Modell herangezogen. Der chemische Quellterm kann direkt aus den Partikelgrößen berechnet werden und Bedarf keiner weiteren Modellierung. Aus einem Ensemble an Partikeln wird anschließend nach jedem Zeitschritt ein mittlerer Quellterm für jede Zelle des Gitters berechnet und an den CFD-Löser übergeben. Diese Vorgehensweise setzt die Lösung der instationären Gleichungen voraus. Das Verfahren basiert auf der in der Literatur bekannten PEUL - Methode (PEUL – Probabilistique Eulerienne Lagrangienne) und wird erstmals auf eine instationäre Kopplung von Eulerschem Strömungslöser und Lagrangeschen Partikellöser angewendet. Aufgrund der hohen Anzahl benötigter Partikel ist der rechnerische Aufwand für das Modell sehr hoch. Bei der Anwendung des Modells werden drei verschiedenen Fälle untersucht: Eine turbulente Methan-Luft Freistrahlflamme, eine vorgemischte Magerverbrennung von Methan im FLOX® Betrieb sowie eine Diffusionsflamme in einer generischen Modellbrennkammer zur Verbrennung von Synthesegas. Die Ergebnisse werden in der Arbeit vorgestellt und liefern eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen, lassen jedoch auch die Defizite im Modell erkennen.Item Open Access Charakterisierung numerischer Methoden für die Auslegung FLOX-basierter Brennkammersysteme(2015) Panne, Tobias; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit untersucht numerische Modelle bezüglich ihrer Eignung für die aero- und thermodynamische Auslegung FLOX®-basierter Brennkammersysteme mit dem Ziel, die Brennkammergeometrie bereits über CFD-Simulationen und ohne eine große Anzahl an kosten- und zeitintensiven Experimenten festlegen zu können. Dazu ist es notwendig, die heute zur Verfügung stehenden numerischen Modelle darauf hin zu untersuchen, inwieweit sie die physikalischen Effekte in einem FLOX®-Brennkammersystem abbilden können. Der Fokus liegt dabei auf Modellen, deren Zeit- und Ressourcenbedarf möglichst gering sind, um so den wirtschaftlichen Vorteil der numerischen Simulation gegenüber einer experimentell gestützten Entwicklung möglichst gut ausschöpfen zu können. Detaillierte numerische Modelle, wie sie beispielsweise zur genauen Berechnung der Schadstoffentstehung oder der Vorhersage thermoakustischer Instabilitäten benötigt werden, werden folglich im Rahmen dieser Studie nicht betrachtet. Zur Erreichung des oben skizzierten Ziels wird in drei Schritten vorgegangen. Zunächst erfolgt die Validierung der numerischen Modelle. Dazu werden anhand eines experimentell vermessenen akademischen Testfalls, der das Grundprinzip der flammenlosen Oxidation (FLOX®) widerspiegelt, numerische und experimentelle Daten verglichen. Die höchste Vorhersagegenauigkeit wird dabei mit dem SST-Turbulenzmodell von Menter beim Einsatz des kombinierten EDC/FRC-Verbrennungsmodells erzielt. Von den betrachteten Reaktionsmechanismen liegen die Mechanismen von Westbrook und Dryer sowie der DLR-interne 14-Schritt-mechanismus in guter Übereinstimmung zu den Versuchsergebnissen, wobei letzerer bei der Simulation komplexerer Geometrien keine realistische Lage der Wärmefreisetzungszone vorhersagt. Weiterhin wird gezeigt, dass die Wahl thermischer Randbedingungen einen signifikanten Einfluss auf die numerischen Resultate hat, während die Vernachlässigung von Strahlungsverlusten zu keiner deutlichen Veränderung der Vorhersagegenauigkeit führt. Im zweiten Schritt wird die Eignung der zuvor validierten Modelle für die numerische Auslegung technischer Brennkammergeometrien geprüft. Dazu werden anhand eines Mikrogasturbinen-Brennkammersystems exemplarisch ausgewählte Geometrieparameter mittels Parameteranalysen untersucht. Basierend auf den Simulationsergebnissen kann der Einfluss der entsprechenden Parameter auf das Strömungsfeld und die Temperaturverteilung bewertet werden. Neben dieser rein qualitativen Beurteilung wird der jeweilige Effekt über eine Regressionsanalyse quantifiziert, wobei gezeigt wird, dass die Vorhersagegenauigkeit in hohem Maße von der gewählten Ansatzfunktion abhängig ist. Zur Bewertung der Aussagekraft der durchgeführten Parameterstudien wird im letzten Abschnitt eine Modellverifizierung durchgeführt. Dazu wird ein technisches Brennkammersystem, das im atmosphärischen Versuch vermessen wurde, mit den zuvor validierten und für die Auslegungsrechnungen genutzten Modellen nachgerechnet. Durch den direkten Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den Ergebnissen der numerischen Simulation, die eine sehr gute Übereinstimmung aufweisen, wird somit der Nachweis erbracht, dass die in der Validierung am akademischen Testfall erzielte hohe Vorhersagegenauigkeit auch auf deutlich komplexere, technische Geometrien übertragbar ist.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 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 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 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 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 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 investigation of a low-NOx swirl-assisted and jet-stabilized gas turbine combustor concept(2025) Izadi, Saeed; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Today's aircraft engine emission standards regulate, among other aspects, the emissions of nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (UHC) at low altitudes, i.e. during the take-off and landing cycle. It is expected that international aviation regulatory bodies will extend the standards to include high-altitude emissions. This will reduce the global impact of these pollutants. In particular, NOx emissions will need to be reduced due to their role in the greenhouse effect as one of the major non-CO2 factors at higher altitudes. Therefore, in order to meet the upcoming stricter emission standards while maintaining optimal combustor reliability, affordability and efficiency, innovative combustor concepts are required. As a low-NOx combustion technology for future gas turbine engines, a low-swirl, lean premixed prevaporized concept can be an alternative to current conventional combustor systems. The concept is characterized by a lean-fuel and a high degree of mixing of the fuel with air prior to the reaction zone. This results in minimized hot spots and a significant reduction in thermal NOx levels. This work aims to investigate an innovative jet-stabilized concept. Initially, a single-nozzle jet-stabilized gas turbine combustor as a reference combustor was tested using both spray and superheated injection (flash atomization) of Jet A-1 at atmospheric pressure. Non-reactive tests using Mie scattering showed that as the fuel temperature increased, the fuel spray gradually vanished and was replaced by a rapidly evaporating fuel plume. The primary effect was a re-duction in the size of the fuel droplets, but also a rapid axial acceleration of the fuel vapor. As a result of the superheated injection, the Jet A-1's radial penetration was significantly reduced. This resulted in poorer mixing of the fuel with the air and led to shifting flame downstream of the flow. Additionally, the high temperatures caused carbon deposits to form within the fuel lines and the injector, which limited the operation of the combustor. These initial tests showed that fundamental changes to the combustor design are required to utilize superheated fuel injection with low emissions and a wide operating range in the jet-stabilized single-nozzle com-bustor. Due to the narrow operating range of the single-nozzle jet-stabilized combustor under spray conditions and the extremely unstable flame under superheated conditions, the combustor was iteratively developed to incorporate additional components. This was followed by a thorough study of how each component affected fuel vaporization and emissions. The results showed that, the additional components allowed for improved fuel-air mixing, fuel atomization, and evaporation prior to the reaction zone. The axial swirler slowed the rapidly expanding, high-velocity, superheated fuel by providing moderate swirling motion. The swirler hub proved to be an effective baffle, allowing the expanding and superheated fuel to mix better with the air. In addition, a prefilmer channel was installed around the axial swirler to increase the velocity through the swirler vanes, which allowed for improved secondary atomization of the fuel by means of an air-blast effect. As a result, a systematic variation of combustor operational and geometric design parameters was experimentally performed to study their effects on a newly developed swirl-assisted jet-stabilized combustor. The operational parameters included the adiabatic flame temperature, the thermal power, and the air and fuel temperatures, while the geometric parameters were the type of fuel injector, swirl number, the flame tube and the air nozzle diameters. In addition, to evaluate their behavior under sprayed and superheated injection regimes, four different liquid fuels with different thermochemical properties were tested. Finally, water vapor was added to the fuel-air mixture for evaluation of flame resistance to perturbations such as dilution and combustion inhibitors. For the characterization of the physical phenomena, established methods of combustion diag-nostics have been applied. Mie scattering was used in non-reactive and reactive tests for quali-tative analysis of fuel spray angle, penetration depth and degree of evaporation in the flame tube. Flame length (FL) and height above burner (HAB) of the heat release zone were deter-mined using OH* chemiluminescence. Furthermore, an emission analyzer was used to evaluate the pollutants emitted from the flames. These pollutants include NOx, CO, UHC and particu-late matter (PM). The mean residence time, bulk velocity, and recirculation rate and shape in the flame tube were primarily affected by variation of the flame tube diameter (DFT). This led to a change in reaction zone’s HAB and FL. The lowest NOx and CO levels were consistently observed with the smallest air nozzle diameter (DAN). This could be attributed to improved fuel-air mixing resulting from increased air dispersion at the nozzle exit, which led to increased turbulence at higher jet velocities. For both Jet A-1 and natural gas combustion, the injection of steam re-duced NOx emissions by lowering the adiabatic flame temperature. The characterized combustor concept features very low-emission combustion of a variety of liquid fuels over a wide operating range. The combustor concept is insensitive to spray quality so that injectors with poorer spray characteristics can be used. For the presented concept it was also shown that the injection of superheated fuel does not offer significant advantages due to the fuel preparation in the combustor.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.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchung einer inversen Mikrogasturbine(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Agelidou, Eleni; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchung eines drallstabilisierten Mikrogasturbinenbrennkammersystems(2019) Monz, Thomas; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)