Experimentelle Untersuchungen in einer Modellbrennkammer

Diese Arbeit behandelt als Untersuchungsobjekt generische, optisch zugängliche Gasturbinenbrennkammern. Unterschiedlichste relevante Messgrößen wie Geschwindigkeiten, Temperaturen, Tropfendurchmesser und Speziesverteilungen wurden mittels modernster Lasermessmethoden untersucht. Im Einzelnen wurden die Geschwindigkeitsfelder verdrallter, turbulenter Verbrennungsluft von Dralldüsen mit Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) vermessen und diskutiert. Die Eigenschaften einer dispersen Phase einer Zwei-Phasen-Strömung wurde anhand von Sprayeigenschaften wie Spraywinkel und -eindringtiefen mittels der Mie-Streuungs-Detektion charakterisiert. Unterschiedliche optische, statistische und anlagenbedingte Einflussfaktoren auf die mittels der Lasermesstechnik Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) ausführlich gemessenen Durchmesserverteilungen wurden untersucht und vorgestellt. Eine zur numerischen Validierung geeignete Datenbasis anhand ausführlicher Durchmesser- und Geschwindigkeitsdistributionsmessungen der technischen Sprays mittels der PDA und LDA ist das Ergebnis dieser Arbeit. Im Zentrum der Untersuchungen standen sowohl nicht reagierende als auch reagierende turbulente Zwei-Phasen-Strömungen. Im reagierenden Fall bildete sich eine partiell vorgemischte Heptanflamme heraus, deren Interaktion mit dem Spray untersucht wurde. Die Auswirkungen einer Kammerdruckvariation, einer Verbrennungsluft- und einer Flüssigkeitsvariation auf das sich ausbildende Spray wurde vorgestellt. Eine Temperaturfeldbestimmung der Heißgasverteilung nach der primären Reaktionszone mittels Thermoelementen und ein Vergleich zu Ergebnissen der laserspektroskopischen Methode CARS sind weiterhin Bestandteil dieses Teils der Arbeit. Unter realistischeren Gasturbinenbedingungen, d.h. mit einem Brennstoffwechsel auf Kerosin und unter erhöhten Druckbedingungen wurden Beschreibungen der Struktur einer turbulenten partiell vorgemischten Kerosindampfflamme vorgestellt. Die Lokalisierung der Flammenreaktionszone mittels der Lasermesstechnik OH-Laserinduzierte Fluoreszenz (OH-LIF) und die Bestimmmung der Brennstoffpenetrationstiefe anhand von Kerosin-LIF bilden neben der Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes über die LDA die Grundlage der weiteren generierten Datenbasis.

This thesis describes experiments and research on a generic gas turbine combustor. Different relevant parameters like spray droplet diameters, velocity flow fields, temperatur fields and spray angles have been investigated using modern laser diagnostics like LDV, PDV, CARS and LIF. The investigations were performed in reacting and non reacting cases using water and n-heptane as liquids.