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Experimental investigations of flame-cooling air interaction in an effusion cooled pressurized single sector model gas turbine combustor

Greifenstein, Max (2021):
Experimental investigations of flame-cooling air interaction in an effusion cooled pressurized single sector model gas turbine combustor. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019205,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Experimental investigations of flame-cooling air interaction in an effusion cooled pressurized single sector model gas turbine combustor
Language: English
Abstract:

Within this thesis, the mutual interaction between the flame and cooling air within an effusion cooled single sector model gas turbine combustor is investigated at elevated pressure. Although effusion cooling has been widely studied in the last decades with respect to heat transfer and total film cooling effectiveness, fundamental aspects of the interaction mechanisms with the reacting main flow are not yet well understood.

Typically, experimental investigations are conducted either by reducing the complexity by placing an effusion cooling plate in a test section downstream of a hot gas source, which allows a good experimental accessibility and well controlled boundary conditions, or by reducing the complexity on the diagnostics side, e.g. by using sampling probe measurements at the exhaust of a close-to-reality test rig. The first approach does not facilitate investigations of the interaction mechanisms between the reacting main flow and effusion cooling air, as they are spatially separated. The second approach on the other hand includes all mechanisms, but measurements are not conducted spatially resolved within the test section. Within this work, an effusion cooling plate is mounted within a generic test rig which features a swirl-stabilized turbulent flame at elevated inlet temperature and pressure to fully capture the influence of unsteady heat release, convection, radiation and chemical reactions in the vicinity of the liner.

Quantitative and semi-quantitative advanced laser diagnostics with high temporal and spatial resolution are employed to identify sensitivities of flame-cooling air interaction with respect to important boundary conditions that affect the flow and temperature field and cooling performance. Mixing between the reacting main flow and effusion cooling air is investigated by a combination of quantitative planar laser-induced fluorescence of the hydroxyl radical (OH) and nitric oxide, seeded to the effusion cooling air. This data allows to identify the relative occurrence of mixing processes before, during and after reaction. Furthermore, measurements of the thermochemical state, as represented by the carbon monoxide (CO) mole fraction and the gas phase temperature, were conducted using combined quantitative CO laser induced fluorescence (LIF) and ro-vibrational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy with nitrogen as a resonant species. Simultaneous LIF measurements of OH, CO and formaldehyde (CH2O) were executed to investigate the sensitivity of CO production and oxidation near reaction zones to the boundary conditions.

The acquired data shows that interaction processes between the flame and cooling air locally influence the structure of the premixed flame across the preheating zone, main reaction zone and the exhaust. Spatially, these interaction processes are not limited to the area close to the effusion cooled liner but extend into the primary zone by recirculation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die gegenseitige Beeinflussung von Flamme und Kühlluft in einem effusionsgekühlten Eindüsensektor-Brennkammerprüfstand unter erhöhtem Druck untersucht. Obwohl Effusionskühlung in den vergangenen Jahrzehnten hinsichtlich Wandwärmeübergängen und totaler Filmkühleffektivität intensiv untersucht wurde, sind fundamentelle Aspekte der Interaktionsmechanismen der Kühlluft mit der reagierenden Hauptströmung noch weitgehend unverstanden.

Typischerweise werden experimentelle Untersuchungen bei reduzierter Komplexität im Vergleich zu realen Anlagen durchgeführt. Entweder wird eine Effusionskühlplatte stromab einer Heißgasquelle platziert, was eine gute experimentelle Zugänglichkeit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Randbedingungen erwirkt. Interaktionsmechanismen zwischen Kühlluft und reagierender Hauptströmungen können in diesen Konfigurationen konzeptbedingt nicht untersucht werden. Alternative Ansätze reduzieren die Komplexität auf messtechnischer Seite, z.B. indem Abgasuntersuchungen an realitätsnahen Anlagen durchgeführt werden. Bei diesen Ansätzen sind Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Mechanismen nicht möglich, da Messungen weder räumlich noch zeitlich aufgelöst innerhalb der Brennkammer erfolgen. In dieser Arbeit wird eine Effusionskühlplatte als Wandsegment in einem generischen Verbrennungsprüfstand eingesetzt, welcher sich durch eine Drall-stabilisierte turbulente Flamme bei erhöhter Einlasstemperatur und erhöhtem Druck auszeichnet. Hierduch werden Einflüsse durch instationäre Wärmefreisetzung, Konvektion und Strahlung sowie chemische Reaktionen vollständig abgebildet.

Quantitative und semi-quantitative Laser-basierte Messtechniken mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung werden eingesetzt, um eine Sensitivität der zu untersuchenden Flamme-Kühlluft Interaktion hinsichtlich wichtiger Randbedingungen zu identifizieren, die das Strömungs- und Temperaturfeld sowie die Kühlung an sich betreffen. Mischungsprozesse zwischen der reagierenden Hauptströmung und der Effusionskühlluft werden mit Hilfe einer Kombination aus quantitativer Laser induzierter Fluoreszenz des Hydroxyl Radikals (OH) und Stickstoffmonoxid, mit welchem die Kühlluft dotiert wird, untersucht. Die erhobenen Daten lassen Rückschlüsse darauf zu, wie häufig eine Mischung der Stoffströme vor, während oder nach dem chemischen Umsatz des Brennstoffs vorliegt. Messungen des thermochemischen Zustandes, representiert durch den lokalen Kohlenstoffmonoxid (CO) Molenbruch und die Temperatur der Gasphase, werden mittels Kombination von CO Laser induzierter Fluoreszenz (LIF) und rotations-vibrations kohärenter anti-Stokes Raman Spektroskopie mit Stickstoff als resonanter Spezies durchgeführt. Simultane Messungen von OH-, CO- und Formaldehyd-LIF erlauben die Untersuchung von Sensitivitäten auf den CO Produktions- und Oxidationsablauf in Bezug auf die untersuchten parametrischen Variationen der Randbedingungen.

Die gewonnenen Daten zeigen, dass Interaktionen zwischen der Flamme und der Effusionskühlluft lokal die Struktur der Vormischflamme innerhalb der Vorwärmzone, der Hauptreaktionszone und im Abgas beeinflussen. Räumlich sind diese Beeinflussungen nicht nur auf den Bereich nahe der effusionsgekühlten Wand beschränkt, sondern erstrecken sich durch Rezirkulation bis in die Primärzone.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXI, 187 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 28 Jul 2021 08:23
Last Modified: 28 Jul 2021 08:23
DOI: 10.26083/tuprints-00019205
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-192054
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Hochgreb, Prof. Simone
Refereed: 27 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19205
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