Endoscopic Fiber-Based Chemiluminescence Diagnostics in Real-Scale High-Pressure Gas Turbine Combustor Test Rigs

The combustion system of modern gas turbines has to meet a large number of requirements, diametrically opposed in some cases, and are therefore intensely investigated in elaborate highpressure tests. The associated effort and costs are immense; thus it is desired to achieve the highest possible information density during each test. The optical measurement techniques used to date to increase information density are regularly based on optical access to the combustion chamber by means of rigid probes, which were specifically designed for each specific application and are therefore difficult to apply to different test rigs and difficult to adapt to other measurement methods. Consequently, in this thesis a modular, fiber-based flexible endoscopic probe was developed to enable optical access to various test rig configurations, allowing for a more frequent use of optical measurement techniques. Due to its robustness and simplicity, chemiluminescence imaging was selected as optical measurement technique and the probe developed on this basis. The probe has been successfully operated on consecutive days at pressures up to 1.6 MPa and temperatures of 750 K at air mass flow rates of 32.5 kg/s. As a result of the modular design concept, the probe was also successfully utilized in wall temperature measurements in studies by Nau et al. Chemiluminescence imaging measurements were carried out at three different test rigs, namely the NDP-1, the HBK-4, and the CEC under atmospheric (NDP-1) or high-pressure conditions. For each measurement, the signal was filtered for OH* or CH* , respectively, via the correspondding band-pass filters. Some measurements were directed at investigating the flame length and flame position inside the combustion chamber. For this purpose, a post-processing routine was developed to identify the flame within the recorded chemiluminescence images, combining the thresholding method developed by Otsu with calculations of the image entropy to identify the optimal threshold that most accurately characterizes the flame object. The optimal threshold met the constrains of the lowest standard deviation of the calculated flame length and highest image entropy at the transition region between flame and background. The routine was found to reliably detect the flame within the images even for poor SNR. In addition, statistical evaluations of the flame length or its standard deviation and of the CO or NOx emission were performed. Moreover, the flame of an additional fuel stage downstream of the main stage flame was visualized for the first time in a high-pressure single combustor test. For the investigation of the spatial origin of flame-induced oscillations, measurements were performed using high-speed imaging. A post-processing routine used a signal-analytical approach, i.e., coherence analysis, to determine the correlation between the chemiluminescence intensity fluctuations and the pressure fluctuations and to avoid misinterpretation of intensity fluctuations within the chemiluminescence signal. By dividing each image into a set of submatrices and analyzing the images submatrix-wise, the routine enables the spatial identifications of regions of high coherence, indicating a strong coupling between pressure and chemiluminescence intensity fluctuations as a marker for heat release fluctuations. The studies performed at atmospheric conditions at the NDP-1 indicated CH* as a more suitable marker for the heat release rate than OH* under the given experimental conditions. The modularity of the probe design was demonstrated by using the probe for wall-temperature measurements using thermographic phosphors.

Das Verbrennungssystem moderner Gasturbinen muss eine Vielzahl von zum Teil diametral entgegengesetzten Anforderungen erfüllen und wird daher in aufwändigen Hochdruckversuchen intensiv untersucht. Der damit verbundene Aufwand und die Kosten sind immens, daher ist es erwünscht, bei jedem Test eine möglichst hohe Informationsdichte zu erreichen. Die bisher eingesetzten optischen Messverfahren zur Erhöhung der Informationsdichte basieren regelmäßig auf dem optischen Zugang durch starrer Sonden, die speziell für die jeweilige konzipiert wurden und daher nur schwer auf unterschiedliche Prüfstände übertragbar und an andere Messverfahren adaptierbar sind. Daher wurde eine modulare, faserbasierte, flexible endoskopische Sonde entwickelt, die den optischen Zugang zu verschiedenen Prüfstandskonfigurationen ermöglicht und damit eine häufigere Anwendung optischer Messtechniken erlaubt. Aufgrund ihrer Robustheit und Einfachheit wurde die Chemilumineszenz-Bildgebung als optische Messtechnik ausgewählt und die Sonde auf dieser Grundlage entwickelt. Die Sonde wurde an aufeinanderfolgenden Tagen erfolgreich bei Drücken bis zu 1,6 MPa und Temperaturen von 750 K bei Luftmassenströmen von 32,5 kg/s betrieben. Aufgrund des modularen Konzepts konnte die Sonde auch erfolgreich für Wandtemperaturmessungen in Studien von Nau et al. Eingesetzt werden. Bildgebende Chemilumineszenzmessungen wurden an drei verschiedenen Prüfständen, nämlich dem NDP-1, dem HBK-4 und dem CEC, unter atmosphärischen (NDP-1) oder Hochdruckbedingungen durchgeführt. Bei jeder Messung wurde das Signal mit entsprechenden Bandpassfiltern zur Selektion von OH* bzw. CH* gefiltert. Einige Messungen dienten der Untersuchung der Flammenlänge und der Flammenposition innerhalb der Brennkammer. Zu diesem Zweck wurde eine Nachbearbeitungsroutine zur Identifizierung des Flammenobjekts in den aufgenommenen Chemilumineszenzbildern entwickelt, die die von Otsu eingeführte Schwellenwertmethode mit Berechnungen der Bildentropie kombiniert, um den optimalen Schwellenwert zu ermitteln, welcher das Flammenobjekt am besten charakterisiert. Der optimale Schwellenwert erfüllte die Bedingungen der geringsten Standardabweichung der berechneten Flammenlänge und der höchsten Bildentropie im Übergangsbereich zwischen Flamme und Hintergrund. Es wurde festgestellt, dass die Routine das Flammenobjekt in den Bildern auch bei schlechtem SNR zuverlässig erkennt. Darüber hinaus wurden statistische Auswertungen der Flammenlänge bzw. deren Standardabweichung und der CO- bzw. NOx-Emissionen durchgeführt. Außerdem wurde die Flamme einer zusätzlichen Brennstoffstufe unterhalb der Hauptstufenflamme erstmals in einem Hochdruck-Einzelbrennertest visualisiert. Zur Untersuchung des räumlichen Ursprungs der flammeninduzierten Oszillationen wurden Messungen als Hochgeschwindigkeitsaufnahmen durchgeführt. Die entwickelte Nachbearbeitungsroutine nutzte einen signalanalytischen Ansatz, die Kohärenzanalyse, um die Korrelation zwischen den Chemilumineszenz-Intensitätsschwankungen und den Druckschwankungen zu bestimmen und eine Fehlinterpretation der Intensitätsschwankungen innerhalb des Chemilumineszenzsignals zu vermeiden. Indem jedes Bild in eine Reihe von Submatrizen unterteilt und die Bilder submatrixweise analysiert werden, ermöglicht die Routine die räumliche Identifizierung von Regionen hoher Kohärenz, was auf eine starke Kopplung zwischen Druck- und Chemilumineszenz-Intensitätsschwankungen, die als Marker für Wärmefreisetzungsschwankungen dienen, hindeutet. Die unter atmosphärischen Bedingungen am NDP-1 durchgeführten Studien zeigen, dass CH* unter den gegebenen experimentellen Bedingungen ein besser geeigneter Marker für die Wärmefreisetzungsrate ist. Die Modularität des entwickelten Sondenkonzepts konnte durch den Einsatz der Sonde bei der Messung der Wandtemperatur mit thermografischen Phosphoren demonstriert werden.

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