Struktur und Brenneigenschaften von turbulenten, vorgemischten Hochdruckflammen

• Research unit: SFOE
• Project number: 47714

Key words (German)

TP0042;Verbrennung

Short description (German)

Das Projekt soll wichtige Erkenntnisse für eine weitere Optimierung der mageren Vormisch-Verbrennung für stationäre Gasturbinen liefern. Eine zentrale Fragestellung innerhalb der weltweiten Forschung auf dem Gebiet der turbulenten Vormischflammen ist der Einfluss der Turbulenz auf die Struktur der Flammenfront und damit auf die Stickoxidbildung. Von Interesse ist hierbei vor allem die Interaktion von Turbulenz und chemischer Reaktion bei den spezifischen Betriebsbedingungen einer stationären Gasturbinenbrennklammer.

Publications / Results (German)

Die mageren Löschgrenzen und die NOx-Emission von mit Wasserstoff angereicherten CH4/Luft-Flammen wurden bei verschiedenen Betriebsbedingungen experimentell untersucht. Diese Messungen wurden für Vorwärmtemperaturen von 673 K und 773 K, Drücke bis 14 bar, Eintrittsgeschwindigkeiten von 30 - 80 m/s und verschiedenen Turbulenzbedingungen (Turbulenzgitter) durchgeführt. Des Weiteren wurden OH-PLIF Messungen zur Untersuchung der Flammencharakteristika (Position und Fluktuation der Flammenfront, turbulente Flammengeschwindigkeit) durchgeführt. Die experimentelle Untersuchung von CH4/H2/Luft-Vormischflammen zeigt, dass die magere Löschgrenze durch die Zumischung von 20 Vol. % Wasserstoff zum Brennstoff (Methan) um ca. 10 % erweitert werden kann. Diese Erweiterung des Stabilitätsbereichs bleibt auch bei gasturbinen-typischen Drücken erhalten, dies konnte durch Messungen bei einem Brennkammerdruck von 14 bar belegt werden. Durch die Zumischung von Wasserstoff können Flammen bei sehr mageren Luftzahlen noch gut stabilisiert werden. Die damit verbundenen tiefen Abgastemperaturen führen zu sehr niedrigeren NOx-Emissionen, die bei Zugabe von 20 Vol. % H2 im Vergleich zu reinen CH4/Luft-Flammen um ca. 35 % tiefer liegen. Diese Resultate veranschaulichen das grosse NOx-Minderungspotential, das bei stationären Gasturbinen durch die Beimischung von Wasserstoff besteht. Experimente zur Wasserstoff-Pilotierung der Rezirkulationszone zeigen, dass diese Art der Pilotierung wenig geeignet ist um die Flammenstabilität gegenüber perfekt vorgemischten CH4/H2/Luft-Flammen signifikant zu verbessern. Zudem sind die NOx-Konzentrationen bei dieser Art der Pilotierung sehr viel höher als bei H2-Vormischung.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Paul Scherrer Institut

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Griebel,Dr. P.
Boschek,E.
Erne,D.
Siewert,P.

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