Nutzung von elektrischen Feldern zur Flammensteuerung

In modernen Gasturbinen wird hauptsächlich eine magere, vorgemischte Verbrennung zur Minderung der thermisch erzeugten Stickoxide eingesetzt. Dies bringt jedoch Stabilitätsprobleme mit sich, als Folge davon vergrößert sich z. B. die Kohlenmonoxidemission, da die Verbrennung lokal zunehmend unvollständig verläuft. Zur Flammenstabilisierung und aktiven Beeinflussung von Brennkammerschwingungen wird der Einsatz eines elektrischen Feldes untersucht. Hierzu macht man sich die bei der Verbrennung durch chemische Reaktionen entstehenden Ladungsträger in der Flamme zu Nutze. Durch Anlegen elektrischer Felder kommt es dann zu Interaktionen der Ladungsträger mit dem einströmenden Frischgas, so dass eine Stabilisierung der Flamme erreicht werden kann. Die Untersuchungen dazu werden in einfachen laminaren Flammen oder in Modellbrennkammern unter Hochdruck und hohen elektrischen Feldern durchgeführt. Mit dieser Konfiguration können z. B. für Vormischflammen mit einer Vielzahl von Brennerkonfigurationen die magere Stabilitätsgrenze angehoben und damit CO- und NOx- Emissionen gleichzeitig reduziert werden. Hierzu sind schwache elektrische Felder mit elektrischen Leistungen von wenigen Milliwatt ausreichend. Der Fokus aktueller Untersuchungen liegt auf dem Flammenansprechverhalten bei statischen und dynamischen elektrischen Feldern.Ferner werden nicht-invasive laserbasierte optische Messtechniken eingesetzt, um die grundlegenden Mechanismen von elektrischen Feldern auf Flammen zu untersuchen. Dabei wurden zum einen die Spezieskonzentrationen mittels der laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) und Strömungsgeschwindigkeiten mittels der Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Somit können die beiden in der Literatur existierenden Theorien des „ionischen Windes“ und der „veränderten Chemie“ als grundlegender Mechanismus der Flammenstabilisierung geklärt werden. Durch die Messung der Spezies- und Geschwindigkeitsverteilung der Flamme im elektrischen Feld konnte das Ansprechverhalten untersucht werden und gezeigt werden, dass der „ionische Wind“ in dieser Versuchsanordnung der dominierende Effekt ist, welcher der Stabilisierung zu Grunde liegt.