Bildgebende Laser Vibrometrie für Verbrennungsuntersuchungen

Um die strengen rechtlichen Auflagen zu erfüllen, wurden im Bereich stationärer Gasturbinen für Kraftwerke Konzepte mit niedriger Schadstoffemission für die Verbrennung entwickelt. Leider treten in solchen Anlagen Verbrennungsinstabilitäten auf, welche der Anlage schaden und die Lärmemission erhöhen. Ganz entscheidend ist die Charakterisierung der Flamme bereits während der Entwicklung. Eine solche Charakterisierung über einen weiten Frequenzbereich ist aber auch für Turbomaschinen erforderlich, welche in Flugantrieben zum Einsatz kommen. Forschung im Bereich von Turbomaschinen ist immer Energie relevante Forschung mit starken Auswirkungen auf die Gesellschaft. DiediesemProjekt zugrundeliegende Annahme (Hypothese) ist, dass eine solche Charakterisierung von Flammen rein laser-optisch, berührungsfrei und flächenhaft mit Hilfe eines einzelnen Hochgeschwindigkeitssensors erfolgen kann. Das in diesem Projekt entwickelte Messsystem verzichtet auf jegliche Form von Sonden und benötigt keine Einbringung von störenden Tracerteilchen, die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit derzeit üblich sind. Dieser quasi rückwirkungsfreie Ansatz ist auch für jede Strömungsuntersuchung als neuartig zu bezeichnen. Durch dieflächenhafteHochgeschwindigkeitsaufzeichnung der Verbrennungsphänome aus ein bis zwei Richtungen ist auch eine räumlich-zeitliche Signalkorrelation volumetrischer Datenmöglich, ebenfalls neuartig zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen.Basierend auf den jeweiligen Erfahrungen bisheriger Projekte der TU Graz und der TU Dresden, die vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung FWF und der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert wurden, werden in diesem internationalen Projekt zwischen TU Graz (J. Woisetschläger) und TU Dresden (J. Czarske, A. Fischer) die Grundlagen für ein solches Messsystem entwickelt und bereitgestellt. Dies umfasst die komplexen Algorithmen zur Signalauswertung basierend auf den Prinzipien der Thermoakustik ebenso wie eine schnelle optoelektronische Sensorik basierend auf moderner Signalverarbeitung, räumlich-zeitlicher Korrelationstechniken und Sensoren moderner Hochgeschwindigkeitskameras. Ebenso wird ein Benchmarking mit konventionellenLaservibrometern(TU Graz)undeinerultra-schnelle Geschwindigkeitsmessung (TU Dresden) durchgeführt. Um bereits die Zwischenergebnisse dieses Projektes an industrienahen Brennkammern oder im Vergleich mit anderen Messverfahren testen zu können, haben sich drei europäische Forschungsinstitute zur Unterstützung des Messsystementwurfs und zur Durchführung erster Versuche bereit erklärt, nämlich TU München, DLR Köln und PTB Braunschweig.

Im Rahmen des Projekts wurde durch die länderübergreifende Zusammenarbeit beider Institutionen die Haupthypothese, dass die bildgebende Vibrometrie zur simultanen und tracerlosen Erfassung von Wärmefreisetzungsraten und Strömungsgeschwindigkeiten in drall-stabilisierten Flammen implementiert werden kann, bewiesen. Es wurde gezeigt, dass diese simultanen Messungen die Detektion der Flammentransferfunktion, sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messungen verschiedener physikalischer Größen, wie Dichte oder Druck ermöglichen. Dabei liefert die fundierte theoretische und experimentelle Analyse der Anwendung von Laservibrometern für Messungen der Flammentransferfunktion einen grundlegend neuen Ansatz für die Bereiche der Verbrennungsdiagnostik und Thermoakustik, der erstmals eine umfangreiche Untersuchung drall-stabilisierter Flammen ohne die Zugabe von Tracer-Partikeln erlaubt. Die in diesem Projekt erfolgte Kombination dieses neuen Ansatzes mit modernen Hochgeschwindigkeitskameras zeigte das große Potential dieser Technik durch die Nutzung von Korrelationstechniken zur Bestimmung der örtlich aufgelösten Strömungsgeschwindigkeit. Das in diesem Projekt entwickelte kamerabasierte Laservibrometer wurde durch Referenz- und Vergleichsmessungen an bekannten Dichteänderungen, sowie drall-stabilisierten Flammen experimentell validiert. Aufgrund der hohen Abtastrate von 200 kHz bei einer örtlichen Auflösung von 0,47 mm ermöglicht das System auch die Erfassung stark transienter Vorgänge, wie beispielsweise Zündprozesse. Weiterhin wurde gezeigt, dass die ausschnittsweise Korrelation der detektierten Dichtestrukturen, vergleichbar dem Vorgehen bei der "Particle Image Velocimetry", nicht nur die mittlere Strömungsgeschwindigkeit am Brennerausgang liefert, sondern auch die bildgebende Erfassung der 2D/2C-Geschwindigkeitsfelder ermöglicht. Dieses kamerabasierte Laservibrometer zur tracerlosen Geschwindigkeitsmessung bietet Potential zur Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen der Strömungsmechanik von Fluidströmungen, bei denen häufig sowohl die Erfassung der Dichte als auch der Geschwindigkeit von Interesse sind. Die Erkenntnisse der Projektarbeiten ermöglichen die Anwendung des neuen Messansatzes in umfangreichen Experimentierreihen an verschiedenen Versuchsständen, wobei das neue kamerabasierte Laservibrometer zeiteffiziente Messungen mit hohen Datenraten und somit umfangreiche Parameterstudien ermöglicht, die zur Entwicklung und Verbesserung physikalischer Modelle führen können. Gerade im Bereich der Verbrennungsdiagnostik spielen diese Modelle eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der technischen Verbrennung nicht nur von Kohlenwasserstoffen und besitzen somit hohe Relevanz für die Gesellschaft und insbesondere den Umweltschutz.