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

Sammanfattning: 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.