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TU Berlin

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Messung von Temperaturschwankungen mittels akustischer Laufzeiten: Untersuchung von Entropiewellen in einem Gasturbinen-Brennkammer Prüfstand

© TUB Dominik Waßmer
 

Im Rahmen des AG Turbo 2020 Vorhabens „Untersuchung des thermoakustischen Stabilitätsverhaltens einer mager betriebenen Brennkammer“ werden am Fachgebiet Entropiewellen untersucht. Diese nichtisentropen Temperaturschwankungen, die auf Grund von Schwankungen des Äquivalenzverhältnisses in Brennkammern entstehen, erzeugen sogenannten indirekten Verbrennungslärm. Diesem liegt der Effekt zu Grunde, dass am Turbineneintritt beschleunigte Entropieschwankungen akustische Wellen generieren, welche wiederum stromauf zur Flamme reflektiert werden und dort Einfluss auf die Wärmefreisetzung nehmen können. Dies kann zu einer Anfachung einer thermoakustischen Instabilität führen welche eine Schädigung von Bauteilen nach sich zieht bzw. eine Einschränkung des Betriebsbereichs der Brennkammer im mageren und damit emissionsärmeren Bereich zur Folge hat.


Um in einer korrosiven Hochtemperaturumgebung zeitlich hochaufgelöst Temperaturen messen zu können, musste eine neuartige Messmethode entwickelt werden. Diese beruht auf dem Time-of-Flight Prinzip, bei welchem ein aktiv generiertes akustisches Signal von Druckaufnehmern detektiert wird und an Hand der so gemessenen Schallgeschwindigkeiten eine über den akustischen Pfad integrierte Bestimmung der Temperatur möglich ist. Der akustische Puls wird mittels einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden erzeugt, dies garantiert eine hohe Wiederholrate, sehr hohe Temperaturbeständigkeit, eine ausreichende Lautstärke sowie auf Grund des hohen Frequenzanteils eine sehr gute Detektierbarkeit in der auf Grund von Strömungslärm sehr lauten Brennkammer. Die Nutzung vieler verschiedener akustischer Pfade innerhalb einer axialen Messebene erlaubt zudem die tomografische Rekonstruktion des 2-dimensionalen Temperaturfeldes.


Aufbauend auf den experimentellen Ergebnissen werden analytische Modelle entwickelt und validiert. Ziel ist es, die Entstehung und Ausbreitung von Entropiewellen zu verstehen und berechnen zu können, um bereits bei der Entwicklung einer neuen Brennkammer Aussagen über deren Relevanz treffen zu können.

 

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