Bildgebende Laser Vibrometrie für Verbrennungsuntersuchungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282277522

Für eine hohe Effizienz und niedrige Schadstoffemission beim Betrieb stationärer Gasturbinen in Kraftwerken werden magere vorgemischte Verbrennungen genutzt, wobei die Anfälligkeit für thermoakustische Oszillationen steigt. Diese Verbrennungsinstabilitäten können der Anlage schaden und erhöhen die Lärmemission. Die Modellierung und Prädiktion der Instabilitäten erfolgt vor allem durch Analyse der Flammentransferfunktion (FTF), die die instationäre Wärmefreisetzungsrate der Flamme mit den Schwankungen der Einlaufströmungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Frequenz in Beziehung setzt. Eine solche Flammencharakterisierung ist auch für Flugzeugtriebwerke wichtig, und da Forschung an Turbomaschinen eng mit dem Thema Energie verknüpft ist, liegt eine hohe gesellschaftliche Relevanz vor. Forschungsarbeiten der TU Graz (J. Woisetschläger) zeigten, dass Laservibrometer zur Messung von Fluktuationen der Dichte und der Wärmefreisetzungsrate in Flammen eingesetzt werden können. Zudem lässt sich durch Korrelation der von zwei Laservibrometern gemessenen Dichtefluktuationen auf die Strömungsgeschwindigkeit schließen. Wärmefreisetzungsrate und Strömungsgeschwindigkeit werden beide für die Bestimmung der FTF benötigt. Inspiriert durch Modulationstechniken der Nachrichtentechnik wurde eine weitere laseroptische Strömungsmesstechnik basierend auf einer sinusförmigen Laserfrequenzmodulation, die auch bei Laservibrometern genutzt wird, an der TU Dresden (J. Czarske, A. Fischer) entwickelt. Hierbei kamen schnelle Sensorarrays und Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz, und es wurden räumlich-zeitliche Korrelationstechniken für die Strömungsanalyse erarbeitet. Die Forschungshypothese des vorliegenden Projekts ist, dass Laservibrometrie sich mit modernen Hochgeschwindigkeitskameras kombinieren lässt, und diese bildgebende Interferometrie basierend auf einer Vielzahl von Laservibrometern (jedes Pixel stellt ein Vibrometer dar) die FTF erfasst. Zusätzlich erhält man auch die Feldinformation der Wärmefreisetzungsrate und der Strömungsgeschwindigkeit sowie deren zeitlich-räumlichen Korrelationen in der Flamme. Diese für die Verbrennungsdiagnostik neuartige Technik benötigt keine störenden Tracerpartikel. Mit den gebündelten Expertisen der TU Graz und der TU Dresden soll die Hypothese verifiziert und ein bildgebendes Laservibrometers für die laseroptische Diagnostik von Verbrennungen entwickelt werden. Dies umfasst die komplexen Algorithmen zur Signalauswertung basierend auf den Prinzipien der Thermoakustik ebenso wie eine schnelle optoelektronische Sensorik basierend auf moderner Signalverarbeitung, räumlich-zeitlicher Korrelationstechniken und modernen Hochgeschwindigkeitskameras. Ebenso wird ein Benchmarking mit konventionellen Laservibrometern (TU Graz) und Geschwindigkeitsmessungen (TU Dresden) durchgeführt. Neben den beiden Hauptpartnern beteiligen sich drei europäische Forschungsinstitute (TU München, DLR Köln, PTB Braunschweig) an der Erprobung des Messsystems.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer; Professor Dr.-Ing. Jakob Woisetschläger