Application of Laser Techniques in Combustion Environments of Relevance for Gas Turbine Studies

Abstract

In the work presented in this thesis, different laser-based techniques were employed for measurements in different combustion devices. Laser-based techniques enable non-intrusive and in-situ measurements to be carried out, in which high spatial and temporal resolution can be obtained. Different parameters related to combustion research can be visualized, such as species concentrations, temperature, velocities and particle sizes. The combustion devices investigated can be related in one way or another to gas turbine combustion, the measurements being performed in devices ranging from laboratory-scale burners to industrial gas turbine burners.



The Triple Annular Research Swirler (TARS) is a laboratory burner that simulates the character of a gas turbine, in terms of both fuel injection and flame stabilization. Studies using planar laser-induced fluorescence (PLIF) were carried out here to demonstrate how different swirler configurations affect flame and flow dynamics and how flashback depends on different operating conditions. Simultaneous measurements of OH PLIF and of acetone PLIF were employed to visualize flame position and fuel distribution, respectively, the measurements being carried out simultaneously with velocity measurements involving particle image velocimetry (PIV).



Visualization of flame position and of fuel distribution through use of OH PLIF and acetone PLIF was applied to several industrial gas turbine burners to investigate their combustion characteristics. The measurements were performed on-site at Siemens in Finsp\r{a}ng, in burners fueled with natural gas or with a mixture of natural gas and hydrogen. The aim of the experimental investigations was to obtain a better understanding both of the mixing of air and fuel and of the flame dynamics, knowledge of which can hopefully be used to further reduce the emission levels from gas turbines. Part of the experimental results was used for the validation of computational fluid dynamics (CFD) models, used to simulate the flow and the turbulent combustion inside the combustion chamber.



A Multi-YAG laser system which can generate a rapid burst of laser pulses, and a high-speed framing camera capable of recording sequences of up to eight images, were used to study fuel vaporization, and its consequent mixing with air, in a Jet A or biojet fueled gas turbine pilot burner under elevated pressure conditions. Fuel PLIF was used to visualize both the liquid and the gas phase of the fuel, Mie scattering being used to visualize only the liquid phase of the fuel. The liquid phase of the fuel was found, as expected, to be close to the burner nozzle and the evaporated fuel to be found a distance downstream from the burner nozzle. High-speed OH PLIF was also employed for visualizing the flame position.



Additional work carried out included characterization of partially premixed and diffusion flames in a high-pressure vessel and burner (HPVB) using OH PLIF and PAH PLIF for the visualization of flame position and of polyaromatic hydrocarbon distribution, respectively. Flames using liquid fuels (n-heptane, n-decane and ethanol) as well as gaseous (methane) fuels were studied. The results are intended to be used as data base for kinetic mechanisms and as validation data for CFD models.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Oberoende av vilket bränsle som används ger förbränning upphov till utsläpp av miljöfarliga gaser, såsom kväveoxider, svaveldioxider, kolmonoxid och oförbrända kolväten. Dessa ämnen bidrar till försurning, smog, växthuseffekten och kan skada ozonlagret. Även koldioxid kan anses som en miljöfarlig gas då den bidrar till den globala uppvärmningen. För att få en bättre förbränning med minskade utsläpp krävs det en djup förståelse om de komplicerade kemiska och fysikaliska processer som styr förbränningen. Man behöver till exempel veta vilka temperaturer som råder på olika ställen och för olika tidpunkter i förbränningsprocessen och vilka kemiska ämnen som bildas.

I denna doktorsavhandling har laserdiagnostik använts för att öka förståelsen om förbränningsprocesser. Laserljus består i stort sett av en enda våglängd (färg) medan vanligt ljus från till exempel en glödlampa består av ett stort antal våglängder (färger). En stor fördel med en laserbaserad mätmetod jämfört med en konventionell mätmetod är att den är beröringsfri, det vill säga man behöver inte använda ett instrument i förbränningszonen som kan störa förbränningsprocessen. Mätningar kan även göras i väldigt snabba förlopp (kortare än 10 miljarddels sekund) och små strukturer i förbränningsprocessen kan studeras (ner till nästan 10 miljontedels meter). Med lasermätmetoder är det även möjligt att få tvådimensionella bilder av fördelningen av de kemiska ämnen som bildas, vilket är viktigt vid mätningar i turbulenta förlopp som

förbränning i allmänhet är. Nackdelen med lasermätmetoder är att man behöver optisk tillgänglighet till mätområdet genom fönster eller optiska fibrer, vilket gör det svårt att använda lasermätmetoder i fullskaliga förbränningsapparater. Den mätmetod som används i denna avhandling är laserinducerad fluorescens. Laserinducerad fluorescens, LIF, är en mätmetod som kan användas för att avbilda olika molekyler som bildas i förbränningsprocessen. Laserljus med en våglängd som

matchar en elektronövergång i den studerade molekylen växelverkar med molekylen och ger upphov till en ljusutsändning, så kallad fluorescens. Laserinducerad fluorescens kan appliceras på många olika molekyler då olika molekyler växelverkar med olika våglängder. Molekylen OH, som är en av de viktigaste molekylerna som bildas under

förbränning används för att markera flamfronten och områden där det har brunnit. Det är även möjligt att avbilda oförbränt bränsle. Använder man ett bränsle som inte fluorescerar behöver man tillsätta ett spårämne. Spårämnet måste då vara en molekyl som har liknande egenskaper som bränslet själv. I denna avhandling har aceton använts

som spårämne. LIF har i detta arbete använts för att avbilda flammans position och områden med oförbränt bränsle i olika gasturbintillämpningar. Mätningar har gjorts på fullskaliga industriella gasturbinbrännare men också på en nerskalad brännare. Den

nerskalade brännaren använder samma metod för att spruta in bränslet och stabilisera flamman som de fullskaliga gasturbinbrännarna. I den nerskalade brännaren har fundamentala förbränningsprocesser såsom flashback, flamutsläckning och flamstabilisering studerats. Flashback och flamutsläckning är två oönskade processer på grund av att de kan ge upphov till minskad förbränningseffektivitet och högre utsläpp av föroreningar. Resultaten visade att flamman blir mer känslig för flashback när kvoten mellan bränsle och luft närmar sig ett. Mätningarna på de fullskaliga gasturbinbrännarna gjordes i samarbete med Siemens där ett stort antal gasturbinbrännare studerades för att karakterisera förbränningen vid olika driftförhållanden. Resultaten från dessa mätningar användes till exempel för att utvärdera olika simuleringsmodeller, vilka används för att simulera förbränningen i brännkammaren. Den information som resultaten i denna avhandling gav kommer förhoppningsvis att användas för att förbättra förbränningseffektiviteten samt att minimera utsläppen av föroreningar och miljöfarliga gaser från gasturbiner.

• author: Lantz, Andreas
• supervisor: Marcus Aldén; Robert Collin
• opponent: Dr. rer. nat. Meier, Wolfgang, Institute of Combustion Technology, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, Germany
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Laser Diagnostics, PLIF, Laser-Induced Fluorescence, Combustion, Fuel visualization, LIF, Gas turbine, Flashback, Flame position, Swirling flame, Fysicumarkivet A:2012:Lantz
• pages: 203 pages
• defense location: Lecture hall B, Fysicum, Professorsgatan 1, Lund University
• defense date: 2012-05-25 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-316-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 67447cdb-6103-4d8c-8003-e08b6a725136 (old id 2518448)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:21:25
• date last changed: 2018-11-21 20:52:32