Freistrahlen mit Queranströmung
Zur vollständigen Charakterisierung der strömungsmechanischen Gegebenheiten in thermischen Turbomaschinen müssen mindestens 3 physikalische Größen bekannt sein: Fließgeschwindigkeit, Temperatur und Dichte – wenn möglich als zeitlich aufgelöste Ortsfunktionen. Keines der bisher verfügbaren Messsysteme ist vollständig in der Lage diese Anforderungen zu erfüllen. Die am weitesten entwickelten und etablierten Messtechniken, finden sich auf dem Gebiet der Messung der Strömungsgeschwindigkeit (LDA und PIV). Nur eingeschränkt einsetzbare Messgeräte stehen jedoch für die nicht invasive Temperatur- und Dichtemessung zur Verfügung. Speziell die systeminhärente Genauigkeit genügt bei diesen Systemen den Anforderungen der Forschung nicht. Zum Beispiel ist es bis heute nicht möglich die Temperaturverteilung in Turbinen und Kompressoren nicht invasiv zu ermitteln, obwohl diese Information entscheidend für die Detektion von Gebieten, in denen Energieverlust stattfindet, wäre.
Die Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe konzentriert sich auf dieses bisher kaum bearbeitete Forschungsgebiet. Im Zentrum stehen zwei vergleichsweise neue Methoden zur Temperatur und Dichtemessung, die Spektroskopie instationärer Gitter (Transient Grating spectroscopy (TGS)) und die gefilterte Rayleighstreuung (FRS). Die physikalischen Grundlagen dieser Techniken sind bekannt, aber ihr Anwendungspotential für technische Messaufgaben wird bisher nicht genutzt. TGS eröffnet die Möglichkeit die lokale Schallgeschwindigkeit laseroptisch zu ermitteln, was eine Berechnung der Temperatur ermöglicht und mittels FRS kann aufgrund des linearen Zusammenhangs von Streuintensität und Dichte letzteres gemessen werden.
Die Entwicklung moderner Brennkammern ist zurzeit mit schwierigen Anforderungen konfrontiert: Brennkammern sollen immer weniger Schadstoffe und Lärm erzeugen, sollen aber gleichzeitig eine erhöhte Lebensdauer und Betriebssicherheit aufweisen. In Hinsicht auf die gesetzlichen Grenzwerte für den NO und NO2 Ausstoß geht die Entwicklung hin zu mageren, vorgemischten Verbrennungen. Ungünstig ist, dass derartige Brenner zu sehr starken Verbrennungsschwingungen neigen. Die gewaltigen Zerstörungskräfte, die diese Verbrennungsinstabilitäten entwickeln können zeigen sich, wenn man bedenkt, dass bei einem Betriebsdruck von 35 bar ihre Amplitude auf 1 bar ansteigen kann. Eine Vermeidung derartiger Schwingungen ist daher einer der Schlüsselfaktoren der Entwicklung moderner Brenner.
Die meisten Brennkammerschwingungen werden von verschiedenartigen Rückkopplungen erzeugt, wie z.B. akustischen Wechselwirkungen und der Ausbreitung von Entropiewellen. Der Ausdruck „Entropiewellen“ meint die Ausbreitung heißer Zonen in der Strömung, also die Konvektion großer Temperatur und Dichteinhomogenitäten. Speziell die Entwicklung von FRS soll darauf abzielen diese Entropiewellen zu detektieren.
Für die akustische Messung von Verbrennungsschwingungen werden in der Regel Mikrofone mit elektrischer oder elektromagnetischer Signalumwandlung verwendet um Druckschwankungen zu charakterisieren. Da diese Art von Druckwandlern sehr empfindlich gegenüber Erwärmung ist und ihre Größe nicht in ausreichendem Maße verringert werden kann, ist ihr Einsatz in Brennkammern nur bedingt möglich wenn nicht ausgeschlossen. Deshalb ist ein weiteres wichtiges Ziel der Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe die Entwicklung eines laserbasierten Mikrofons, das auf optischem Wege die Bewegung einer Metallmembran detektiert. Diese Mikrofone sind bei weitem temperaturbeständiger und höchstwahrscheinlich kleiner als herkömmliche Mikrofone. Trotz derartig viel versprechender Eigenschaften wurde dieses Konzept bisher andernorts nicht umgesetzt.