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Flashback prevention in lean-premixed hydrogen combustion
Reichel, Thoralf G.
The focus of this study is the combustion of hydrogen in air as it relates to typical gas turbine engines. Hydrogen–air combustion occurs in the absence of any carbon-based emissions and the only combustion products are water vapor and oxides of nitrogen (NOx). However, due to the very low flammability limit of hydrogen, it can be burned at much lower equivalence ratios than typical hydrocarbon fuels, resulting in excellent low NOx potential. Lean premixed combustion of low reactivity fuels, such as natural gas, is nowadays state of the art in stationary gas turbines. In the long term, it is also a promising approach for aero engines. For lean premixed combustion, with increasing fuel reactivity lean blow out limits are extended but the disposition for flashback, an undesired event of upstream flame propagation, is increased. Therefore, combustor design strategies that are applied for conventional fuels have to be revisited in case of hydrogen, which represents the upper end of the scale of high reactivity fuels. The current thesis aims at developing a combustor design that is capable of safely operating on hydrogen–air mixtures up to stoichiometric conditions while meeting strict emission regulations. To this end, several measures affecting the flashback resistance of a hydrogen–air combustor are investigated. In addition to their effect on flashback resistance, all measures are evaluated with respect to their impact on fuel–air mixing which directly affects NOx emissions. Unlike most previous investigations on hydrogen–air combustion, the current investigations are conducted at partially premixed instead of perfectly premixed conditions. This poses a challenging task with respect to achieving flashback resistance as well as low \mathrm{NO_{x}} emissions with limited premixing space and time. Experimental investigation of non-reacting and reacting combustor flow fields of a partially premixed model combustor were conducted using particle image velocimetry in an atmospheric combustor tests rig. Results reveal a strong influence of geometric modifications and fuel momentum on the combustor flow field. Stability maps were recorded that allow for comparison of the operational range of different combustor geometries with respect to flashback and lean blow out. It was shown that already moderate flow rates of a central non-swirling air jet significantly extend the flashback limits, while the lean blow out limits remained unaffected. Moreover, recordings of planar laser-induced fluorescence of the hydroxyl radical (OH-PLIF) within the flame revealed that, the axial location of the upstream flame front, x_{f}, constitutes a telling estimator for flashback resistance. At the investigated conditions, x_{f} is shifted downstream with increasing equivalence ratio due to the added momentum of the fuel flow. Thereby, the local gain in axial velocity due to fuel momentum supersedes any parallel augmentation in the turbulent flame speed. This has been identified as a driving mechanism affecting the combustor stability limit.Performance and emissions data facilitate the conclusion that the desired flashback-safe operation at very low NOx emissions at ambient pressure and relevant combustor inlet temperatures is feasible.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der experimentellen Untersuchung von Maßnahmen zur Gewährleistung der sicheren und schadstoffarmen Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in einer Gasturbine. Die Verbrennung von Wasserstoff mit Luft geschieht ohne den Ausstoß jeglicher Kohlenwasserstoffe, sodass sich das Abgas ausschließlich aus Wasserdampf und Stickoxiden zusammensetzt. Der Stickoxidanteil kann dabei auf ein Minimum begrenzt werden da Wasserstoff aufgrund seiner weiten Zündgrenzen extrem mager verbrannt werden kann.
Mager vorgemischte Verbrennung, wie sie heutzutage bereits in stationären Gasturbinen zum Standard gehört, stellt mittelfristig auch einen vielversprechenden Ansatz für Fluggasturbinen dar. Der Einsatz hochreaktiver Brennstoffe, zum Beispiel wasserstoffreiche Synthesegase oder reiner Wasserstoff, erweitert zwar einerseits deutlich den mageren Betriebsbereich. Andererseits erhöht sich auch enorm das Risiko des Auftretens von Flammenrückschlag, welcher zu massiver Beschädigung von Bauteilen führen kann. Die konventionellen Konzepte der Brennerentwicklung müssen daher für hochreaktive System neu gedacht werden, insbesondere für die Verbrennung von reinem Wasserstoff, der das obere Ende der Skala hochreaktiver Gasturbinentreibstoffe darstellt.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird der Einfluss verschiedener Maßnahmen zur Vermeidung von Flammenrückschlag auf das nicht-reagierende und reagierende Strömungsfeld experimentell untersucht. Darüber hinaus werden die Auswirkungen dieser Änderungen des Strömungsfeldes auf die Flammenstabilisierung mit Hilfe moderner optischer Messtechnik gezeigt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermögen die Beobachtungen der gemessenen Stabilitätskarten zu erklären. Durch die Identifikation von Indikatoren für Flammenrückschlag lassen sich außerdem Voraussagen für die Stabilität jenseits des experimentell bestimmten Betriebsbereichs treffen. Im Rahmen der Untersuchungen stellte sich insbesondere das Störungsfreie Einbringen des hohen Brennstoffimpulses als kritische Maßnahme zur Wahrung von Flammenrückschlagsicherheit heraus. Weiterhin wurde gezeigt das verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von Flammenrückschlag interagieren und teilweise interferieren.
Es konnte jedoch gezeigt werden dass die vorgeschlagene Kombination der Maßnahmen in der Brennergeometrie in der Lage ist Flammenrückschlag auf dem gesamten Betriebsbereich der Versuchsanlage zu verhindern und gleichzeitig ambitionierte Emissionsziele zu erfüllen.
