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Berührungslose Temperaturmessung an Verbrennungsgasen bei hohen Temperaturen und hohen Drücken
(2019)
Stationäre Gasturbinen sind von großer Bedeutung für die heutige Energieversorgung. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine steigt mit zunehmender Heißgastemperatur an. Turbinenhersteller bzw. Kraftwerksbetreiber sind daher bestrebt, Turbinen bei der höchsten materialtechnisch möglichen Heißgastemperatur einzusetzen. Eine entsprechende Prozessoptimierung des Turbinenbetriebs setzt somit die exakte Kenntnis der Gastemperaturen während des Betriebs und damit eine verlässliche Messung derselben voraus. Zur Messung der Gastemperatur werden derzeit in der Regel Thermoelemente unmittelbar im Abgasstrom platziert. Aufgrund der dort vorherrschenden extremen Bedingungen degradieren diese Sensoren allerdings sehr schnell. Ein alternativer Ansatz sieht die Entwicklung eines berührungslosen Messverfahrens auf der Grundlage von Strahlungsthermometern vor. Für die Umsetzung dieses Vorhabens ist die genaue Kenntnis des Verhaltens der infrarot-optischen Emissions- und Transmissionsspektren der im Abgasstrom enthaltenen Gase bei hohen Temperaturen und Drücken eine wesentliche Voraussetzung. Aus diesem Grund wurde am ZAE Bayern eine Hochtemperatur-Hochdruck-Gaszelle entwickelt, die es in Verbindung mit einem FTIR-Spektrometer erlaubt, Gase und Gasgemische hinsichtlich dieser Gesichtspunkte zu charakterisieren. In dieser Arbeit wird die neue Messapparatur vorgestellt und Gasgemische, die für die Turbinenanwendungen relevant sind, werden analysiert. Zur Identifizierung eines geeigneten Wellenlängenbereichs für die geplante berührungslose Temperaturmessung wurden erste Messungen durchgeführt, auf deren Grundlage ein adäquater Wellenlängenbereich ermittelt werden konnte.
Energy efficiency and operation safety in energy conversion, process technology, and aerospace engineering requires advanced material investigation, in particular at high temperatures to characterize the materials and components. Additionally, modern additive manufacturing methods, in particular the 3D metal laser printer requires a detailed control of the melting temperature. Many applications are based on a layered structures, e.g. thermal barrier coatings in gas turbines. Also components manufactured by additive manufacturing pose a layered structure. In these structures the mechanical contact between the layers and to the substrate is of high interest. Besides, the complete characterisation of the additive manufactured component is important for its later application. To cope with these new demands, the University of Applied Sciences Wuerzburg - Schweinfurt (FHWS) and the Bavarian Center for Applied …
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines langwelligen Strahlungsthermometers zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen in stationären Gasturbinen während des Betriebs der Turbinen innerhalb des EU-geförderten Projektes „Sensors Towards Advanced Monitoring and Control of Gas Turbine Engines (Acronym STARGATE)“. Im Rahmen der Arbeit wurden die infrarot-optischen Eigenschaften der Wärmedämmschichten und der vorhandenen Brenngase am ZAE Bayern bei hohen Temperaturen bis 1600 K und Drücken bis 13 bar bestimmt. Mit Hilfe dieser experimentellen Charakterisierungen konnte ein geeigneter Spektralbereich um 10 μm für das langwellige Strahlungsthermometer identifiziert werden. Entsprechend dieser Erkenntnisse wurde zunächst ein Laboraufbau mit geeigneten optischen Bauteilen (Filter, IR-Wellenleiter, etc.) realisiert und verifiziert. Anschließend wurde ein Prototyp für Messungen in Gasturbinen während des Betriebs der Turbinen entwickelt und in einem Turbinenteststand der Firma Siemens AG in Berlin erfolgreich getestet. Abschließend wurde eine Unsicherheitsanalyse durchgeführt, die eine erweiterte Messunsicherheit der gemessenen Temperaturen von etwa ± 30 K ergab.
In the context of the optimization of stationary gas turbines, the surface temperatures of the turbine blades have to be measured by a non-contact technique using radiation thermometers during operation of the turbine. Nowadays turbine blades are protected by thermal barrier coatings. The infrared-optical properties of these coatings require the usage of the MIR or LWIR region for non-contact measurement of the surface temperatures. For performing such measurements and for properly analyzing the derived data, the transmission and absorption spectra of the combustion gas mixture within the turbine were determined at the local conditions during operation of the turbine. Therefore, subject of this work is the measurement of the transmission spectra of carbon dioxide and water vapor at high temperatures and high pressures to identify a wavelength range, which is almost free of absorption and emission effects. In …
The objective of the EU project “Sensors Towards Advanced Monitoring and Control of Gas Turbine Engines (acronym STARGATE)” is the development of a suite of advanced sensors, instrumentation and related systems in order to contribute to the developing of the next generation of green and efficient gas turbine engines. One work package of the project deals with the design and development of a long wavelength infrared (LWIR) radiation thermometer for the non-contact measurement of the surface temperature of thermal barrier coatings (TBCs) during the operation of gas turbine engines.
For opaque surfaces (e.g. metals or superalloys) radiation thermometers which are sensitive in the near or short wavelength infrared are used as state-of-the-art method for non-contact temperature measurements. But this is not suitable for oxide ceramic based TBCs (e.g. partially yttria stabilized zirconia) as oxide ceramics …
The EU project STARGATE (Sensors Towards Advanced Monitoring and Control of Gas Turbine Engines) has the headline objective to develop a suite of advanced sensors, instrumentation and related systems in order to contribute to the development of the next generation of green and efficient gas turbine engines. To increase the efficiency of gas turbines higher combustion temperatures and higher turbine inlet temperatures are required. This implies that turbine blades and vanes are exposed to higher temperatures. Advanced thermal barrier coatings (TBCs) based on ceramic materials protect the components from overheating and ensure mechanical integrity. Still, materials and coatings need to be stressed to their limits to reach the challenging goals of an efficiency increase. Under these circumstances, it is crucial to have sensing techniques available that are capable of accurately monitoring the temperature of turbine parts in order to prevent damages within the engine. The approach to overcome current limitations of existing techniques is to use long wavelength infrared (LWIR) pyrometry as TBCs are usually semi-transparent in the near or short wavelength infrared. Therefore one work package within the STARGATE project is dedicated to the development of a LWIR radiation thermometer to measure the surface temperature of TBCs contactless during operation of the gas turbine engines. The paper shortly gives an overview of the investigation performed within the STARGATE project. The construction, calibration and application of the LWIR radiation thermometer is described in detail and results obtained on a test facility are presented. The paper closes with an outlook on future plans of implementing the LWIR pyrometer in the quality system of gas turbine operation.
Hochtemperaturmessung und Materialuntersuchung für Energietechnik und additive Fertigungsverfahren
(2017)
Non-contact temperature measurement of combustion gases at high temperatures and high pressures
(2017)
Development of Long Wavelength Infrared Radiation Thermometry for Measurements in Gas Turbines
(2016)
Stationary gas turbines are still an important part of today's power supply. With increasing temperature of the hot combustion gas inside a gas turbine, the efficiency factor of the turbine increases. For this reason, it is intended to operate turbines at the highest possible gas temperature. Therefore, in the combustion chamber and especially at the position of the first stage guide vanes the gas temperature needs to be measured reliably. To determine the gas temperature, one promising approach is the application of a non-contact measurement method using a radiation thermometer. A radiation thermometer can measure the gas temperature remotely from outside of the harsh environment. At ZAE Bayern, a high temperature and high pressure gas cell has been developed for this purpose in order to investigate gases and gas mixtures under defined conditions at high pressures and high temperatures. This gas cell can …
Non-Contact Temperature Measurement Of Combustion Gases at High Temperatures and High Pressures
(2016)
Ein Versuch zur berührungslosen nicht-invasiven Qualifizierung der Haftung von Wärmeschutzschichten
(2017)
Development of Long Wavelength Infrared Radiation Thermometry for Measurements in Gas Turbines
(2016)
A collection of slides from the author's conference presentation is given. The presentation introduces the infrared-optical characterization of thermal barrier coatings and the development of LWIR pyrometer for measuring temperature in an operating gas turbine. The test facility for evaluating the LWIR pyrometer is also presented. This presentation includes the experimental setup for LWIR calibration and measurement.
In this paper the applicability of different optical measurement techniques for species and temperature detection in internal combustion engines is discussed, especially for hydrogen combustion. The presented techniques cover the flame luminosity, the laser-induced fluorescence, laser Rayleigh scattering, spontaneous Raman scattering and non-linear Raman measurement techniques like coherent anti-Stokes Raman scattering. The potential of the 2-dimensional detection of hydrogen via spontaneous Raman scattering is discussed.
Mittels der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) können im Brennraum eines Transparentmotors Messungen durchgeführt werden, die den Gemischbildungsprozess beim Wasserstoffmotor zweidimensional qualitativ darstellen. Auch quantitative Messungen und damit Aussagen über das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Brennraum sind möglich. Für diese Messungen wird ein Gasgemisch ans Helium und einer Tracersubstanz verwendet, und der Motor wird geschleppt. Bei Betrieb des Motors in der Teillast sind auch Messungen im gefeuerten Betrieb, d.h. mit Wasserstoff und zugesetzter Tracersubstanz, möglich. Durch direkte Messung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und der Wasserstoffkonzentration am befeuerten Aggregat mit Hilfe der Raman-Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, daß mittels PLIF der Einströmvorgang qualitativ und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis quantitativ grundsätzlich richtig erfaßt werden. Qualitative und quantitative PLIF-Messungen sind prinzipiell nicht nur bei Wasserstoffmotoren, sondern auch bei Gasmotoren mit anderen Brenngasen denkbar. Allerdings sind noch weitere Arbeiten erforderlich, um den Quantifizierungsfehler deutlich abzusenken. Zukünftiges Verbesserungspotential für diese Meßtechnik besteht in verschiedenen Punkten. Dazu gehört die Optimierung und Anpassung der Mischstrecke zur Erzeugung des Gas-Luft-Gemisches mit definiertem Kraftstoff-Luft-Verhältnis an die jeweiligen Meßaufgaben, um den relativen Fehler des Lambda-Wertes noch weiter zu reduzieren. Eine Verringerung der Tracerkonzentration erscheint problemlos möglich. Um das Problem der Hintergrundfluoreszenz zu lösen, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, die noch genauer zu untersuchen sind.
Planar laser-induced fluorescence (PLIF) has been successfully used for the investigation of the mixture formation process in hydrogen engines for passenger cars. Detailed information has been obtained about process development (qualitative measurement) and on fuel/air-ratio (quantitative measurement) inside the combustion chamber. These results can be used for further optimization of mixture formation and combustion process concerning emissions and fuel consumption. The measurement technique used is not only limited to hydrogen or to passenger car engines, but can also be applied to other fuel gases like natural gas or to other engine sizes like bus engines. The main topic of this paper is the experimental verification of the procedure which was executed by simultaneous PLIF and Raman scattering measurements. By Raman scattering the fuel/air-ratio can directly be determined from direct concentration measurements of the different gas species. The fuel/air-ratios determined by PLIF and Raman measurements are in good agreement indicating that a quantitative fuel/air-ratio measurement during the mixture formation process of gas and hydrogen engines is possible by PLIF. This fact is also confirmed by other measurements, e.g., global fuel/air-ratio calculated from measured intake air and fuel gas flow.