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Application of Optical Diagnostics to Support the Development of Industrial Gas Turbine Combustors

Witzel, Benjamin

The present study is concerned with the application of state-of-the-art optical measurement techniques for the detailed investigation of combustion systems of stationary gas turbines. By using laser-induced fluorescence (LIF) with acetone as tracer imaging measurements of the fuel/air mixture at atmospheric pressure and at non-reacting conditions were accomplished with different burner types. For this purpose optically accessible test rigs as well as a special facility for the supply with necessary tracer mass flows were developed and taken into operation. The results of the tracer-LIF measurements were compared to results of classical suction-probe measurements. It could be shown that the tracer LIF measurements offer clear advantages regarding the spatial resolution as well as the necessary time for the execution of a measurement. Moreover, contrary to the suction-probe measurements, the tracer-LIF measurements for the first time allow the investigation of unsteady phenomena. Additionally, the recorded mixture data serve as a new reference for the validation of numerical simulations. A first comparison with steady RANS CFD results within the context of this study could already lead to optimized parameters for these simulations. For the investigation of the flame behavior in high pressure combustion tests a water-cooled probe was developed which provides optical access to the combustion chamber with minimum impact on the examined system. The probe was applied for both spectroscopic as well as imaging measurements of the flame luminescence at gas turbine relevant thermodynamic boundary conditions. For the imaging measurements different combinations of optical filters were installed in front of the camera system in order to selectively record OH*, CH* or CO2*. Pressure fluctuations inside the combustion chamber were recorded simultaneously to the camera images. A correlation of the recorded images with the pressure fluctuations by using a phase-sorting algorithm gave new inside of the processes within the combustion chamber during the occurrence of combustion instabilities. Altogether the optical measurement techniques applied in the frame of this study enabled new insights into the complex processes during fuel/air mixing as well as during combustion at gas turbine relevant boundary conditions. The new knowledge won thereby will make an important contribution for the further development of gas turbine combustion systems.

Die vorliegende Dissertationsschrift behandelt die Anwendung moderner optischer Messverfahren zum Zwecke der detaillierten Untersuchung von Verbrennungssystemen stationärer Gasturbinen. Mittels laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) von Aceton als Tracer wurden bildgebende Messungen des Brennstoff-/Luftgemisches verschiedener Brennertypen bei atmosphärischem Druck im nichtreagierenden System durchgeführt. Hierzu wurden spezielle optisch zugängliche Prüfstände sowie eine Versorgungseinrichtung zur Bereitstellung der erforderlichen Tracer-Massenströme entwickelt und in Betrieb genommen. Die Ergebnisse der Tracer-LIF-Messungen wurden mit Ergebnissen klassischer Saugsonden-Messungen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Tracer-LIF-Messungen deutliche Vorteile hinsichtlich der räumlichen Auflösung sowie der benötigten Zeit zur Durchführung einer Messung bieten. Im Gegensatz zu den Saugsonden-Messungen ermöglichen die Tracer-LIF-Messungen nun auch erstmalig die Untersuchung instationärer Phänomene. Die aufgenommenen Mischungsdaten dienen darüber hinaus als neue Referenz zur Validierung numerischer Simulationen. So konnten bei einem im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Vergleich mit RANS CFD-Simulationen bereits optimierte Parameter für die Durchführung der Simulationen gefunden werden. Zur Untersuchung des Verhaltens der Flamme in Hochdruck-Verbrennungstests wurde eine wassergekühlte Sonde entwickelt, welche optischen Zugang zur Brennkammer bei minimaler Beeinflussung des untersuchten Systems bietet. Mithilfe der Sonde wurden sowohl spektroskopische wie auch bildgebende Messungen des Flammeneigenleuchtens unter verschiedenen realistischen thermodynamischen Randbedingungen durchgeführt. Für die bildgebenden Messungen wurden verschiedene Kombinationen von optischen Filtern vor der Kamera eingesetzt, um selektiv OH*, CH* oder CO2* aufnehmen zu können. Simultan zu den Kamerabildern wurden Wechseldruck-Schwankungen innerhalb der Brennkammer aufgezeichnet. Eine nachträgliche Korrelation der aufgenommenen Flammenbilder mit den Wechseldruck-Schwankungen mittels eines Phasensortier-Algorithmus gab dabei neue Einblicke in die Vorgänge innerhalb der Brennkammer während des Auftretens von Verbrennungsinstabilitäten. Insgesamt ermöglichten die im Rahmen dieser Arbeit angewandten optischen Messtechniken neue Einblicke in die komplexen Vorgänge bei der Gemischbildung von Brennstoff in Luft sowie bei der Verbrennung unter realistischen Randbedingungen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Gasturbinen-Verbrennungssystemen.

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Witzel, Benjamin: Application of Optical Diagnostics to Support the Development of Industrial Gas Turbine Combustors. 2016.

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