Gasturbinen-Verbrennung unter Druck

Versuchsträger mit optischer Brennkammer für den Einbau in den Hochdruckprüfstand HBK-S.

Mit dem Hochdruckbrennkammerprüfstand HBK-S verfügt das Institut über die Möglichkeit, Verbrennungsprozesse in Gasturbinen unter realistischen Bedingungen zu untersuchen. Große Quarzfenster im Druckgehäuse und die Verwendung von optisch zugänglichen Brennkammern erlauben es dabei, alle laserdiagnostischen Verfahren des Instituts für diese Untersuchungen einzusetzen. Besondere Herausforderungen bestehen hier in der Anpassung der Messverfahren an die extremen Verbrennungsbedingungen (Druck bis 40 bar, thermische Leistung bis 1 MW) und in der Kühlung und Sauberhaltung der Quarzfenster. Insbesondere bei Verwendung kollimierter Hochleistungslaserstrahlung wie z.B. bei Anwendung von CARS oder Laser-Raman-Streuung kann es leicht zu einer Beschädigung der Brennkammerfenster durch Verunreinigungen kommen.

Beispielhafte Anwendungen

Mit planare laserinduzierte Fluoreszenz (PLIF) an OH-Radikalen können die Reaktionszonen und Gebiete heißer Abgase visualisiert werden. Mit dieser Messtechnik wurden z.B. die Flammenstabilisierung und Verbrennungsschwingungen in einem skalierten industriellen Gasturbinenbrenner der Firma Alstom charakterisiert [1]. Ein weiters Beispiel für OH-PLIF betrifft die Untersuchung des Verbrennungskonzepts der flammenlosen Oxidation für Gasturbinenbrennkammern bei Drücken bis 25 bar [2]. Mit Particle Image Velocimetry (PIV) wurde u.a. das turbulente Strömungsfeld in einem industriellen Gasturbinenbrenner der Firma Siemens genau charakterisiert [3]. Dabei konnte insbesondere die Bedeutung kleiner und mittlerer Wirbel für die Mischung und Flammenstabilisierung gezeigt werden. Eine besondere Herausforderung stellte die Anwendung von Raman-Einzelpulsmessungen zur simultanen Bestimmung der Spezieskonzentrationen und der Temperatur im HBK-S dar. Mit dieser Technik konnten in einem skalierten industriellen Gasturbinenbrenner erstmals die Mischung und Effekte der Chemie-Turbulenz-Wechselwirkung quantitativ vermessen werden [4].

1. “Phase Resolved Laser Diagnostic Measurements of a Downscaled, Fuel Staged Gas Turbine Combustor at Elevated Pressure and Comparison with LES Predictions”
   K.-P- Geigle, W. Meier, M. Aigner, C. Willert, M. Jarius, P. Schmitt, B. Schürmans
   Proceedings of 2006 ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea & Air, May 8-11, 2006, Barcelona, Spain, Paper GT2006-90875
2. “FLOX® Combustion at High Pressure with Different Fuel Compositions”
   R. Lückerath, W. Meier, M. Aigner
   Proceedings of 2007 ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea & Air, May 14-17, 2007, Montreal, Canada, Paper GT2007-27337
3. “Flow Field and Combustion Characterization of Premixed Gas Turbine Flames by Planar Laser Techniques”
   U. Stopper, M. Aigner, W. Meier, R. Sadanandan, M. Stöhr, I.S. Kim
   Proceedings of 2008 ASME Turbo Expo, GT2008-50520
4. “Experimental Analysis of the Combustion Behaviour of a Gas Turbine Burner by Laser Measurement Techniques”
   H. Ax, U. Stopper, W. Meier, M. Aigner, F. Güthe
   Proceedings of 2009 ASME Turbo Expo, GT2009-59171
5. "PIV, 2D-LIF and 1D-Raman measurements of flow field, composition and temperature in premixed gas turbine flames"
   U. Stopper, M. Aigner, H. Ax, W. Meier, R. Sadanandan, M. Stöhr, A. Bonaldo
   Experimental Thermal and Fluid Science 34, 396-403 (2010)