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Aufgrund steigender Preise für Primärenergieträger sowie der Verknappung der Ressourcen bei gleichzeitig steigendem Verbrauch wird eine effiziente Nutzung der vorhandenen Energiequellen weiterhin wichtig sein. Speziell der zunehmende Beitrag, den alternative Energiequellen zur Stromversorgung liefern, macht eine weitere Entwicklung auch von Gasturbinen in Bezug auf höhere Effizienz nötig.

Einer der wichtigsten Faktoren zur Steigerung der Effizienz moderner Gasturbinen ist die Turbineneintrittstemperaturen (TET), welche die erste Leitschaufelreihe der Gasturbine hinter der Brennkammer erfährt. Diese TET liegt je nach Technologiereife weit über 1000 K, jedoch unterhalb der stöchiometrischen Temperatur von ca. 2000 K. Eine genaue Bestimmung der Temperatur ist für die Auslegung der Turbinenbauteile und deren Lebensdauer essentiell. Die heißesten Bauteile sind in der Regel Luft- oder Dampfgekühlt, wodurch bereits vergleichsweise kleine Abweichungen der Temperatur bzw. der Temperaturverteilung sich negativ auf entweder die Lebensdauer des Bauteils oder aber auf die Effizienz des Prozesses auswirken. Daher ist eine präzise Auslegung auf die zu erwartenden maximalen Temperaturen sowie der Bestimmung durch geeignete experimentelle Methoden in Verbindung mit der Prozess-Modellierung von großer Bedeutung.

Bei den sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen sind jedoch die meisten Messtechniken nicht mehr anwendbar. Messungen mit Thermoelementen sind derzeit immer noch der Stand der Technik, allerdings sind die Materialien für die TET - Messungen bereits am Limit und der Verschleiß entsprechend hoch.

Methode

Ein vielversprechender Ansatz zur minimalinvasiven Messung der TET bieten laseroptische Methoden auf Basis der Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS). Besonders im nahinfraroten Spektralbereich (NIR) bietet die TDLAS eine für technische Anwendungen sonst kaum erreichbare Kombination von Selektivität und Sensitivität bei gleichzeitig moderaten Kosten und hoher Robustheit.

Im Zuge des Verbundvorhabens AG TURBO 2020 wird von uns ein hierauf basierendes Spektrometer zur in-situ Messung der TET entwickelt. Dieses wird an die Anforderungen einer Hochdruckbrennkammer angepasst und die Möglichkeit zum Einsatz der TDLAS für die optische Temperaturbestimmung der TET in großtechnisch eingesetzten Gasturbinen untersucht. Die TDLAS als robuste Methode zur kalibrationsfreien Messung absoluter Spezieskonzentration und Temperaturen in Verbrennungsprozessen bietet hier das Potential auch in solch schwer zugänglichen und harschen Umgebungen die integrale Temperaturbestimmung zu ermöglichen und dient als Basis für das neu zu entwickelnde Spektrometer.

Auf Basis schmalbandiger, abstimmbarer Diodenlaser (DFB, VCSEL) ist eine hoch aufgelöste Erfassung von Rotations-Schwingungsspektren sowie die zuverlässige und präzise Extraktion der TET auch in der anspruchsvollen Umgebung einer Gasturbinenbrennkammer möglich. Aus der simultanen Erfassung und dem Vergleich mehrerer, geeignet gewählter Absorptionslinien einer Spezies

kann auf rein optischem Weg bei der sog. Zweilinienthermometrie1 2 die Gastemperatur entlang der Laserlinie ermittelt werden. Hierzu werden Rotations-Vibrationsübergänge von H2O im nahen Infrarot genutzt. Die Vielzahl an Störspezies sowie die hohen Temperaturen und Drücke erfordern jedoch innovative Spektrometerkonzepte, um eine zuverlässige Messung in Gasturbinenbrennkammern zu gewährleisten.

Publikationen

Bürkle, S., Greifenstein, M., Wagner, S., Dreizler, A., Ebert, V.: Optical Sensing of Turbine Inlet Temperature in a Pressurized Gas Turbine Combustor, in: Imag. and Appl. Opt. 2016, OSA technical Digest, paper LT4F.4., doi: 10.1364/LACSEA.2016.LT4F.4 (2016)

Doost, A. S., Ries, F., Becker, L. G., Bürkle, S., Wagner, S., Ebert, V., Dreizler, A., di Mare, F., Sadiki, A. and Janicka, J.Residence time calculations for complex swirling flow in a combustion chamber using large-eddy simulations, Chemical Engineering Science, 156: 97-114, 2016.

M.A. Agizza, S. Bürkle, L. Becker, M. Greifenstein, G. Bagheri, S. Doost, T. Faravelli, J. Janicka, S. Wagner, A. Dreizler: Reactor network modelling of a close to reality combustor using residence time measurements. European Combustion Meeting, Dubrovnik, Croatia, April 2017

Bürkle, S., Becker, L.G., Agizza, M.A., Dreizler, A., Ebert, V., Wagner, S.: In-situ measurement of residence time distributions in a turbulent oxy-fuel gas-flame combustor. Exp Fluids (2017) 58: 77. doi:10.1007/s00348-017-2366-2

Bürkle, S., Möller, G., Hees, J., Zabrodiec, D., Rauen, D., Ebert, V. Kneer, R., Dreizler, A., Wagner, S.: Laserbasierte Messung der Temperatur und Spezieskonzentrationen der Feuerung von torifizierter Biomasse in einer 100 kWth Staubfeuerungsversuchsanlage, 28. Deutscher Flammentag - Verbrennung und Feuerung, Darmstadt, Deutschland, 2017.