Analyse der Flammenstabilisierung intensiv mischender Jetflammen für Gasturbinenbrennkammern

Abstract

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.