Weiterentwicklung und Anwendung der Laser-Raman-Streuung zur Untersuchung industrieller Vormischflammen in einer Hochdruckbrennkammer

Abstract

Diese Dissertation beschreibt die Anpassung der 1D-Laser-Raman-Spektroskopie an einen Hochdruckbrennkammerprüfstand und die damit ermöglichte Untersuchung industrieller Gasturbinenflammen. Die Durchführung von Hochdruckexperimenten erforderte die Entwicklung einer Brennkammer mit großen optischen Zugängen, den erstmaligen Einsatz eines mobilen Raman-Messsystems am Prüfstand, den Aufbau einer zweidimensional beweglichen Fokussier- und Detektionsvorrichtung sowie die Anpassung des Kalibrierverfahrens an das Druckmodul. Die Weiterentwicklung des Auswerteverfahrens beinhaltete automatische Korrekturen von mechanisch bedingten Dejustagen und von Fehlern im Rohsignal, die durch die Trübung der Brennkammerfenster im Flammenbetrieb verursacht wurden. Bevor das 1D-Raman-Messsystem zum Einsatz kam, wurden die Erdgas-Luft-Flammen eines industriellen Gasturbinenbrenners mit ergänzenden Messtechniken untersucht. Dazu gehörten Strömungsfeldmessungen mit Particle Image Velocimetry (PIV), Untersuchungen der Flammenstruktur anhand der Chemolumineszenz elektronisch angeregter OH-Radikale und der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) von OH. Der Parameterbereich umfasste Drücke bis 6 bar, thermische Leistungen bis 1 MW und Reynolds-Zahlen bis 1,2·10^5 bei Luft-Äquivalenzverhältnissen zwischen 1,5 und 2,0. Die Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessungen zeigen eine große innere Rezirkulationszone, starke turbulente Fluktuationen in den Scherschichten und Hinweise auf einen schnell rotierenden Axialwirbel. Mit den Chemolumineszenzaufnahmen ließ sich analysieren, wie die räumliche Verteilung der Flammenzone auf Variationen der Betriebsparameter reagiert. Die PLIF-Einzelaufnahmen zeigen stark gefaltete Flammenfronten. Anhand der OH-Radikal-Verteilung wurden auch Hinweise darauf gefunden, dass Selbstzündung, lokale Verlöschung und Effekte der Zündverzugszeit eine Rolle bei der Flammenstabilisierung spielen. Nach diesen Voruntersuchungen wurde das 1D-Raman-Experiment aufgebaut und durchgeführt. Im Rahmen dieser Dissertation erfolgten zum ersten Mal quantitative Raman-Messungen an Hochdruckflammen unter anwendungsnahen Bedingungen. Diese lieferten Informationen über die Stoffmengenanteile der Hauptspezies, den Mischungsbruch, die Temperatur und den Reaktionsfortschritt. Zu den Ergebnissen zählen zweidimensionale räumliche Mittelwertverteilungen, einzelschussbasierte statistische Verteilungen und 8 mm lange Einzelschussprofile. Raman-Messungen im Bereich der Brennstoff-Luft-Vormischung erlaubten eine quantitative Analyse der Homogenität der Mischung. Innerhalb der Flammenzone wurde ein hoher Anteil intermediärer thermochemischer Zustände gefunden, deren Temperaturen und chemische Zusammensetzungen zwischen denen von Frischgas und Abgas liegen. Darüber hinaus war es möglich, den Einfluss von Betriebsparametern auf die räumliche Verteilung des Reaktionsfortschritts zu ermitteln. Die gewonnenen Messergebnisse eignen sich zur Validierung numerischer Simulationen.

This thesis describes the adaptation of the 1D laser Raman spectroscopy to a high pressure combustor test rig and the investigation of industrial gas turbine flames by the application of this technique. The realization of high pressure experiments required the development of a combustion chamber with large optical accesses, the build-up of a two-dimensionally moveable device for focusing and detection as well as the adaption of the calibration procedure to the pressurized test rig. The further development of the raw data analysis procedure included automatic corrections of mechanically caused misalignments and of raw signal errors that were due to a reduction of the window transparency during flame operation. Before the 1D Raman measurement system was applied, the swirling natural gas / air flames of an industrial gas turbine burner were studied with complementary measurement techniques. These included flow field measurements by Particle Image Velocimetry (PIV), investigations of the flame structure by observation of the chemiluminescence of electronically excited OH radicals and the planar laser-induced fluorescence (PLIF) of OH. The parameter range covered pressures up to 6 bar, thermal powers up to 1 MW and Reynolds numbers up to 1.2·10^5 at air equivalence ratios between 1.5 and 2.0. The results of the velocity measurements show a large inner recirculation zone, strong turbulent fluctuations in the shear layers and indications of a fast rotating axial swirl. The chemiluminescence enabled the analysis of the influence of operating parameter variations on the flame zone’s spatial distribution. The PLIF single exposures showed strongly corrugated flame fronts. Observations of the OH radical distribution corroborated the hypothesis of auto-ignition, local extinction and ignition delay effects playing a role in the flame stabilization. After these investigations, the 1D Raman experiment was built up and conducted. Quantitative Raman measurements at high pressure flames under gas-turbine-relevant conditions were carried out for the first time. They provided information about the mole fractions of the major species, the mixture fraction, the temperature and the reaction progress. All these quantities were obtained simultaneously from single shot measurements. The results include two-dimensional spatial mean value distributions, single-shot-based statistical distributions and 8 mm long single shot profiles. The analysis of premixing of fuel and air revealed the temporal and spatial variations of the mixture fraction present in technically premixed combustors. Inside of the flame zone, a high fraction of intermediate thermochemical states were found. These states exhibit temperatures and chemical compositions that lie between the states of unburned fuel/air mixture and exhaust gas. Furthermore, it was possible to evaluate the influence of the operating parameters on the spatial distribution of the reaction progress. The measurement results can be used for the validation of numerical simulations.