Untersuchung von Verbrennungsschwingungen mit phasenaufgelöster Diagnostik
Zur Reduzierung der NOx-Emissionen wird in modernen, stationären Gasturbinen das Konzept der mageren Vormischverbrennung angewandt. Durch die homogene, brennstoffarme Mischung werden Temperaturspitzen in der Brennkammer vermieden, und die Bildung von thermischem NO wird wesentlich reduziert. Jedoch ist die magere Vormischverbrennung sehr anfällig für Verbrennungsinstabilitäten, besonders für thermoakustische Pulsationen. Da die zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Prozesse der Instabilitäten nur unzureichend verstanden sind, ist „Thermoakustik“ ein aktuelles Forschungsthema. Dazu werden bei uns die Messtechniken phasenkorreliert angewandt, d.h. die Laser und Detektoren werden mit definierter Phasenbeziehung zur Druckschwankung in der Brennkammer getriggert, um das dynamische Verhalten wichtiger Messgrößen zu erfassen. Durch die Anwendung von Raman-, LIF- und PIV-Messverfahren konnten beispielsweise die phasenabhängigen Variationen der Massenflüsse in der Brennkammer berechnet und ihr Zusammenhang mit der Wärmefreisetzung aufgezeigt werden. Die gemessenen Datensätze zeigen erstmals quantitativ, wie die Verbrennungspulsationen durch die Wechselwirkung zwischen Wärmefreisetzung, Strömung und Akustik aufrecht erhalten werden.
Thermoakustische Schwingungen wurden bei uns an verschiedenen Drallflammen vom Labormaßstab bis zu technisch relevanten Hochdruckbrennern untersucht, z.B. dem DLR-Doppeldrallbrenner (Gasfilmdüse), dem TM-Vormischbrenner des EU-Projektes PRECCINSTA oder skalierten industriellen Gasturbinenbrennern.