Die Verbrennung von Wasserstoff ist sehr instabil und benötigt zuverlässige Überwachungssysteme. In seiner Bachelorarbeit untersuchte der Sensler Sven Riedo die Effizienz eines neuen optischen Sensors.
Die Bachelorarbeit in Elektrotechnik von Sven Riedo aus St. Ursen trägt den komplizierten Titel «Erkennung und Prognose von Flammenrückschlägen anhand von Staudruckdaten, die über Fabry-Perot-Interferometrie erfasst wurden: Implementierung und Validierung der Algorithmen.» Der 23-jährige Abgänger der Hochschule für Technik und Architektur erklärt:
Grundsätzlich geht es um die Verbrennung von Kraftstoffen.
Man suche immer bessere Methoden, diese sauberer zu gestalten – also weniger Abgase zu produzieren. Eine Option ist dabei die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger. Wird dieser verbrannt, entsteht grundsätzlich nur Wärme und Wasserdampf.
Die schnelle Flammengeschwindigkeit macht die Verbrennung von Wasserstoff jedoch instabiler als die von anderen Gasen. Viel öfter treten Phänomene wie der Flammenrückschlag oder der Flammabriss (sogenannte Flameouts) auf, bei dem die Flamme die Verbrennungskammer verlässt und entweder die Turbinenelemente überhitzt oder im schlimmeren Fall nicht verbranntes Gas ausserhalb der Kammer entzündet und damit eine Explosion erzeugt.
Neue optische Sensoren
Aus diesem Grund braucht es zuverlässige Überwachungssysteme, die Instabilität bei der Verbrennung erkennen und die Verbrennungsparameter wie Luftgehalt im Gemisch im besten Fall automatisch anpassen. Diese Systeme basieren auf ausgeklügelten Sensoren, die unter anderem vom britischen Unternehmen Meggitt in Villars-sur-Glâne realisiert werden (siehe Kasten). Sven Riedo sagt:
Meggitt hat neue optische Drucksensoren entwickelt, die den Staudruck in der Verbrennungskammer messen.
Im Gegensatz zu piezoelektrischen Sensoren liefern sie bei hohen Temperaturen auch in den tiefen Frequenzen – dort, wo Flammenrückschläge und Flameouts sichtbar werden – umfassende Informationen.
Von der Theorie zur Praxis
In einem Labor in Graz sammelten Mitarbeitende von Meggitt über mehrere Wochen Daten zum neuen Sensor. Unter anderem provozierten sie dabei künstlich Flammenrückschläge und massen diese mit jeweils zwei optischen und zwei piezoelektrischen Sensoren. Die Vermutung des Unternehmens: Die neuen Sensoren können Flammenrückschläge besser identifizieren.
Riedo ging dieser Hypothese auf den Grund. Da es für ihn um die Signalverarbeitung ging, habe er für seine Arbeit vor allem am PC gesessen:
Mit der Hilfe von meinem Bachelorarbeitsbetreuer entwickelte ich Algorithmen, welche in der Lage sind, anhand der Daten der Drucksensoren Flammenrückschläge zu erkennen oder sogar vorherzusehen.
Diese Algorithmen setzten die «Features» um, eine Kombination aus Charaktereigenschaften des Signals, welche dazu dient, Flammenrückschläge zu erkennen. Diese ermöglichten dann den direkten Vergleich: «Ich konnte bestätigen, dass optische Sensoren die Flammenrückschläge besser erkennen.»
Jahrelange Entwicklungsarbeit
Meggitt entwickelt neuen Sensor für die Überwachung von Verbrennungsmotoren
Der optische Sensor der Meggitt AG basiert auf der sogenannten Fabry-Perot-Interferometrie und dient der Überwachung von Verbrennungsprozessen. Den ersten Prototypen habe das Unternehmen vor drei Jahren entwickelt, er und rund 30 weitere Personen hätten daran gearbeitet, erklärt Krzysztof Solinski, Systemingenieur bei Meggitt. «Seither haben wir die Technologie verbessert und den Sensor auch schon bei Kunden in Gasturbinen evaluiert», so der begeisterte Wissenschaftler. Was Sven Riedo in seiner Arbeit nachgewiesen hat, sei wichtig: «Es zeigt, dass wir mit der Fabry-Perot-Interferometrie bessere Ergebnisse erhalten als mit den ursprünglichen Sensoren.»
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