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Turbulenzen beherrschen

Schnelles optisches Tomographieverfahren zur Prozessoptimierung in Brennkammern

Moderne Verbrennungsanlagen wie Gasturbinenbrennkammern werden unter brennstoffarmen Bedingungen betrieben, um die Entstehung von Stickoxiden weitestgehend zu verhindern. Unter diesen Bedingungen kommt es oft zu Verbrennungsinstabilitäten, die zu Schwingungen in der Brennkammer führen. Diese Schwingungen führen nicht nur zu einer starken Lärmbelastung im räumlichen Umfeld der Anlage, sondern beschleunigen auch den Verschleiß der Turbine.

Bei der Verbrennung mit einer turbulenten Flamme hat die Wärmefreisetzungsrate einen maßgeblichen Einfluss auf die instabilen Betriebszustände in der Kammer. Die Wärmefreisetzungsrate lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres messen. Alternativ wird die Chemilumineszenz von Hydroxyl-Radikalen (OH*) gemessen, da sie in engem Zusammenhang mit der Wärmefreisetzungsrate steht. Die Chemilumineszenz wird mithilfe eines optischen Tomographieverfahrens erfasst. Aufgrund schneller Fluktuationen des turbulenten Verbrennungsvorgangs muss die Messung jedoch mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erfolgen, was mit herkömmlichen Tomographieverfahren nicht möglich ist.

Wissenschaftler am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie am Engler-Bunte-Institut (EBI) haben ein Tomographieverfahren entwickelt, das ein zuverlässiges Schnittbild innerhalb von etwa 100 Mikrosekunden erstellen kann. Anstatt wie beispielsweise bei einem klassischen Kernspintomographen einen einzelnen Messkopf um das Messobjekt zu rotieren, werden mehrere Teleskope unter bestimmten Winkeln um die Flamme angeordnet. Jedes dieser Teleskope enthält 90 Lichtleiter, die zu einem Lichtleiterkabel zusammengeführt werden und die Messsignale der Chemilumineszenz an eine einzelne intensivierte CCD- Kamera weiterleiten.
Zur Rekonstruktion des Flammenschnittbildes kommen nicht die üblicherweise verwendeten Verfahren gefilterter Rückprojektion zum Einsatz, sondern solche, die auf einem Selbstkonsistenzverfahren beruhen. Letztgenannte reproduzieren die räumliche Verteilung der Chemilumineszenz wesentlich genauer als diejenigen, die auf gefilterter Rückprojektion basieren.

Durch Einsatz des neuen Tomographieverfahrens kann der Verbrennungsprozess ständig online überwacht und durch Variation der Brennstoffzufuhr geregelt werden.

Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Dr. Rainer Körber, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanager, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-25587

E-Mail: rainer.koerber@kit.edu

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