Laseroptische Untersuchung der Flamme-Kühlluft-Interaktion in einer effusionsgekühlten Brennkammer

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Flamme-Kühlluft-Interaktion in einem effusionsgekühlten Eindüsensektor mithilfe von laseroptischen Messmethoden. Ziel ist es, den Einfluss von unterschiedlichen Flammenkonfigurationen auf das Strömungsfeld sowie die Oberflächen- und Kühllufttemperatur unter gasturbinentypischen Randbedingungen zu quantifizieren. Die Grundlage für diese Untersuchungen wird durch den Aufbau einer Versuchsanlage zur möglichst realistischen Nachahmung der thermodynamischen und strömungsmechanischen Randbedingungen einer Fluggasturbinenbrennkammer mit effusionsgekühlter Brennraumwand gelegt. Charakteristische Merkmale, wie die Flammenstabilisierung durch eine drall induzierte Rezirkulationszone, eine Vorwärmung der Verbrennungs- und Kühlluft sowie ein erhöhte Analgeninnendruck werden dabei abgebildet. Der optische Zugang des gesamten Brennraums ermöglicht die Verwendung laseroptischen Messmethoden zur Beantwortung der Fragestellung. Zur Bestimmung des Strömungsfelds kommt die stereoskopische Particle Image Velocimetry zum Einsatz. Mithilfe laserinduzierter Fluoreszenz am Hydroxil Radikal wird ein qualitativer Vergleich der mager vorgemischten und der pilotiert vorgemischten Flammenkonfiguration vorgenommen. Die Messungen der Gasphasentemperatur erfolgt mithilfe der kohärenten anti-Stokes Raman Spektroskopie. Wandtemperaturen im Bereich der Flamme-Kühlluft-Interaktion werden über das Abklingverhalten thermographischer Phosphore bestimmt. In Parameterstudien werden sowohl unterschiedliche Wandgeometrien als auch unterschiedliche Kühlluftmassenströme untersucht. Zudem wird eine Datenbasis zur Validierung numerischer Simulationen von Wandkühlung unter realitätsnahen Betriebsbedingungen vorgestellt.

This thesis focusses on the experimental investigation of the flame-cooling-air interaction in an effusion-cooled single sector combustor by means of laser-optical measuring techniques. The aim is to quantify the influence of different flame configurations on the flow field as well as the liner and cooling air temperature under gas turbine like boundary conditions. The foundation for these investigations is laid down by the design of a novel test facility for a close-to-reality imitation of the thermodynamic and fluid-mechanical boundary conditions in an effusion-cooled gas turbine combustor. Characteristic features, like a swirl stabilized flame, a preheating of the oxidizer and the wall cooling air as well as the increased pressure are realized. An optical access of the entire combustion chamber allows for the use of laser-optical measurement techniques to address the question raised above. The flow field is determined by stereoscopic Particle Image Velocimetry. Laser Induced Fluorescence from the Hydroxil radical is used for a qualitative comparison of the lean pre-mixed and the pilot-premixed flame configuration. The gas phase temperature is by the way of Coherent anti-Stokes Raman Spectroscopy. Wall temperatures in the area of the flame-cooling-air interaction are determined by the decay behavior of thermographic phosphors. Parameter studies including different wall geometries and cooling air mass flow rates are examined. In addition, a data base for the validation of numerical simulations on wall cooling under realistic operating conditions is presented.