Flammenwechselwirkung in einer Gasturbinenbrennkammer

Industrielle Gasturbinen und Flugtriebwerke entwickeln sich zu immer besserer Ausnutzung des Treibstoffes bei reduzierter Emission. Um diese Ziele zu erreichen, kommt es zur Entwicklung immer neuer Brennkammern. Leider haben Brennkammern die nahe der Zündgrenze für magere Verbrennung arbeiten eine Tendenz zu instabiler Verbrennung. Die dadurch verursachten Druckschwankungen können schwere Schäden in diesen Maschinen verursachen, daher ist eine Kontrolle dieser Instabilitäten erforderlich. Am Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik der Technischen Universität Graz wird daher an neuen Brennkammerkonzepten im Rahmen relevanter EU-Projekte geforscht, das Institut stellt aber auch große experimentelle Versuchsanlagen für diese Arbeiten zur Verfügung. Diese Anlagen inkludieren eine 3 MW Kompressorstation die Luft für verschiedene Prüfstände zur Verfügung stellt, aber auch einen 2MW Lufterhitzer, der gemeinsam mit der Verdichteranlage betrieben werden kann. Dieses System liefert Luft bei einem Massenstrom von 5kg/s bei 10 bar und bis 550C. Das Ziel des beantragten Projekts ist die Untersuchung der Flammenwechselwirkung in einer Modellbrennkammer mit erzwungenen Strömungsinstabilitäten unter Einsatz einer interferometrischen Lasermessmethode (Laser Vibrometer), bei gleichzeitiger Entwicklung einer Regelung mit Hilfe eines GaPO4 Sensors. Der innovative Aspekt liegt in der neuartigen Anwendung laser-optischer Messmethoden, insbesondere in der Korrelation der Messsignale des Laser Vibrometers, welches direkt Dichteschwankungen detektieren kann. Diese können wiederum mit den Druckschwankungen des GaPO4 Sensors in einer Mehrflammenkonfiguration korreliert werden. Zusätzliche Information über die Flammenoszillationen wird mit Hilfe der Techniken der Particle Image Velocimetry and der Laser Induzierten Fluoreszenz gewonnen werden. Diese Forschungsarbeiten werden in der Kontrolle dieser Brennkammerinstabilitäten mit Hilfe dieser neuartigen Hochtemperatur-Drucksensoren münden. In derzeit laufenden internationalen Kooperationen sollen die in diesem Projekt entwickelten neuartigen Messtechniken präsentiert und diskutiert werden.

Moderne industrielle Gasturbinen und Flugtriebwerke versuchen Treibstoff möglichst optimal zu nutzen, gleichzeitig aber die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Da moderne Brennkammern daher im Bereich magerer Verbrennung arbeiten, treten vermehrt Brennkammerinstabilitäten auf. Unerwünschte Effekte wie pulsierende Wärmefreisetzung und Oszillationen des Druckes durch diese Instabilitäten können zur mechanischen Schädigung der Maschinen führen. In diesem Projekt wurden Modellbrenner mit einzelnen und mehreren Flammen untersucht, wobei sowohl mit als auch ohne erzwungene Oszillation der Verbrennung, aber auch mit selbsterregter thermoakustischer Oszillation gearbeitet wurde. Das absolut Neuartige dieses Projektes war der Einsatz neuer Lasermesstechnik, insbesondere die Korrelation der Signale mehrerer Laservibrometer. Dadurch konnten lokale Dichteschwankungen und deren Frequenzspektren bestimmt werden. Um dieses neue Verfahren zu validieren, wurden Referenzdaten mittels Laser Doppler Velocimeter, Raman Spektroskopie und interferometrischen Techniken (Differentialinterferometrie) gesammelt. Mit diesen neuartigen Messmethoden wurden bereits internationale Kooperationen begonnen.