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Instationäre Verbrennungsvorgänge



Koordinator: Dr. Wolfgang Meier

Für Gasturbinenbrennkammern sind verschiedene instationäre Verbrennungsvorgänge von Bedeutung, wie z.B. Zündung (Selbst- oder Fremdzündung), Flammenverlöschung, die Stabilisierung von Flammen, sowie thermoakustische und fluiddynamsiche Instabilitäten. Charakteristisch für diese Prozesse ist eine starke Wechselwirkung zwischen dem Strömungsfeld und den chemischen Verbrennungsreaktionen. Auf Grund ihrer hohen Dynamik sind instationäre Verbrennungsvorgänge eine große Herausforderung, sowohl für numerische Simulationen, als auch für experimentelle Untersuchungen.

Flammenstabilisierung

Um in einem kleinen Volumen einen möglichst hohen Energieumsatz zu erreichen, werden Gasturbinenflammen in hochturbulenten Strömungsfeldern betrieben. Die Turbulenz unterdrückt jedoch die chemischen Verbrennungsreaktionen, so dass die Stabilisierung einer Flamme stets ein konkurrierendes Wechselspiel zwischen Turbulenz und Chemie darstellt, mit Effekten wie lokaler Flammenverlöschung und Wiederzündung. Daher wird in technischen Flammen zur Erhöhung der chemischen Reaktionsrate dem Brennstoff/Luft-Gemisch heißes Abgas zugemischt, um die Flammenstabilität durch Temperaturerhöhung zu verbessern. Dazu werden im Brennraum durch aerodynamische Effekte Rückstromzonen erzeugt, beispielsweise durch Drallströmungen oder sehr schnelle Brennstoff/Luft-Jets. Die Verbrennungsreaktionen werden dabei durch zwei unterschiedliche Mechanismen aufrechterhalten: zum einen durch Ausbreitung von Flammenfronten und zum anderen durch permanente Selbstzündung.

Selbstzündung

Die Selbstzündung von einem Brennstoff/Luft-Gemisch ist ein spontaner Prozess, der empfindlich auf Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung und Turbulenzgrad reagiert. Das Institut forscht hierfür sowohl an realistischen Gasturbinenbrennkammern als auch an Grundlagen der Selbstzündung [1,2]. Beispielsweise wird die Selbstzündung von Brennstoff bei Eindüsung in ein heißes, sauerstoffhaltiges Abgas mit experimentellen und numerischen Methoden untersucht. Die nachfolgende Abbildung zeigt Momentaufnahmen aus Hochgeschwindigkeits-Messungen, die in Kooperation mit der Ohio State University durchgeführt wurden. Die Temperaturverteilungen zeigen, wie der kalte, turbulente Brennstoffstrahl mit dem heißen Umgebungsgas mischt. 2,4 ms nach dem Beginn der Eindüsung taucht im Randbereich (gekennzeichnet durch weiße Umrandung) ein Selbstzündkern auf, der schnell wächst und schließlich den gesamten Brennstoffstrahl umschließt.

 Ausschnitt aus einer Bildsequenz der Temperaturverteilung während Selbstzündung eines Brennstoff-Jets in heißem Abgas, aufgenommen mit 10 kHz Bildrate. Die weiße Linie zeigt eine Temperatur-Isolinie, die das Gebiet der Selbstzündung umschließt.
zum Bild Ausschnitt aus einer Bildsequenz der Temperaturverteilung während Selbstzündung eines Brennstoff-Jets in heißem Abgas, aufgenommen mit 10 kHz Bildrate. Die weiße Linie zeigt eine Temperatur-Isolinie, die das Gebiet der Selbstzündung umschließt.

 

Kohärente Wirbelstrukturen

 Aufgeschnittenes Modell eines Gasturbinenbrenners mit Düsen für Brennstoff (rot) und Luft (blau).
zum Bild Aufgeschnittenes Modell eines Gasturbinenbrenners mit Düsen für Brennstoff (rot) und Luft (blau).

In Drallflammen bilden sich oft umlaufende helikale Wirbel (Precessing Vortex Core, PVC), die einen großen Einfluss auf die Flammenstruktur und Stabilisierung ausüben [3-6]. Sie intensivieren die Mischung, rollen die Flammenfronten auf und führen lokal zu einer erhöhten Wärmefreisetzung. Die Umlauffrequenz dieser schlauchförmigen Gebilde hängt unter anderem von der Strömungsgeschwindigkeit in der Düse ab und kann über 1000 Hz betragen. Für den Gasturbinenbrenner, der unten in einem aufgeschnittenen Modell abgebildet ist, wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Einfluss des PVCs auf die Verbrennung durchgeführt. Weiterhin ist das Ergebnis einer Rechnung gezeigt, die mit Large-Eddy-Simulation (LES) durchgeführt wurde. Im gerechneten Schnittbild sieht man eine „Momentaufnahme“ des Strömungsfeldes und der Temperaturverteilung. Die Wirbelstrukturen, die in der kalten, einlaufenden Strömung zu erkennen sind, gehören zur der dreidimensionalen Struktur des PVCs.

 Momentaufnahme des Strömungs- und Temperaturfelds aus einer LES-Rechnung für eine verdrallte Gasturbinenflamme.
zum Bild Momentaufnahme des Strömungs- und Temperaturfelds aus einer LES-Rechnung für eine verdrallte Gasturbinenflamme.

 

Literatur:

[1] J. Fleck, P. Griebel, A.M. Steinberg, M. Stöhr, M. Aigner, A. Ciani, J. Eng. Gas Turbines Power 134, 041502 (2012)

[2] C.M. Arndt, J.D. Gounder, W. Meier, M. Aigner, Appl. Phys. B 108, 407-417 (2012)

[3] A. Widenhorn, B. Noll, M. Aigner, Proc. ASME Turbo Expo 2009, GT2009-59038

[4] I. Boxx, M. Stöhr, C. Carter, W. Meier, Combust. Flame 157, 1510-1525 (2010)

[5] M. Stöhr, C. M. Arndt, W. Meier, Proc. Combust. Inst 34, 3107-3115 (2013)

[6] M. Stöhr, C. M. Arndt, W. Meier, Proc. Combust. Inst 35, 3327-3335 (2015)


Kontakt
Dr. rer. nat. Wolfgang Meier
Abteilungsleiter Verbrennungsdiagnostik

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Verbrennungstechnik

Stuttgart

Tel.: +49 711 6862 397

Fax: +49 711 6862-578

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