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Cooreflex - Thermoakustische Charakterisierung von selbstzündungsstabilisierten Flüssigbrennstoffflammen
Gasturbinen mit mehrstufigen Verbrennungssystemen zeichnen sich durch hohe Effizienz, spezifische Arbeit sowie Lastflexibilität aus. Niedrige Schadstoffemissionen, die Vermeidung von thermoakustisch induzierten Instabilitäten und Brennstoffflexibilität sind darüber hinaus imperativ für die Wettbewerbsfähigkeit am umkämpften Kraftwerksmarkt. Für die Konstruktion robuster Verbrennungssysteme ist daher die genaue Kenntnis der Interaktion von Flamme und Brennkammerschallfeld von entscheidender Bedeutung.
Zu diesem Zweck wurde am Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik ein zweistufiger Verbrennungsprüfstand entwickelt, in welchem eine drallstabilisierte Erdgasflamme sowie eine selbstzündungsstabilisierte Dieselflamme simultan betrieben werden. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der nachgeschalteten Dieselflamme, welche auch im Labormaßstab mager brennt.
Von besonderem Interesse ist die Entwicklung eines Interaktionsmodells der instantanen Wärmefreisetzungsschwankung mit azimutalen akustischen Moden, welche im Frequenzbereich über 2 kHz auftreten. Für dieses auch als „screeching combustion“ bekannte Phänomen existiert bisher kein geschlossenes Verständnis.
Für die auftretenden höheren akustischen Moden gilt die Annahme der Kompaktheit der Flamme nicht und eine Charakterisierung auf lokaler Ebene ist zwingend notwendig. Bisherige Untersuchungen deuten auf eine lokale Kopplung der Wärmefreisetzungsschwankung an das akustische Verschiebungsfeld sowie eine periodische Stauchung und Streckung der Reaktionszone hin.
Im Rahmen des Projektes wurde ein entsprechender Prüfstand mit einer kombinierten Flammenleistung von 300 kW entwickelt. Eine experimentelle Untersuchung der Dieselflamme erfolgt mittels mehrerer azimutaler Mikrofonarrays und einem Array aus vier Druckkammertreibern. Die Antwort der Flamme auf akustische Anregung wird per Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet, um lokale Interaktionen zwischen Wärmefreisetzung, Strömung und Schallwellen zu identifizieren.
Projektziel ist die Ableitung eines Modells für die Flammen-Akustik-Wechselwirkung auf Basis der Messdaten, welches die Vorhersage des Flammenverhaltens ermöglicht und den Konstruktionsprozess von Verbrennungssystemen unterstützt.