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Document type:
Semesterarbeit 
Author(s):
Yasir, Muhammad 
Title:
Development of a Dual-Spectral Imaging System for Flame Thermography in a Model Rocket Engine 
Translated title:
Entwicklung eines dualspektralen Bildgebungssystems für die Flammenthermografie in einem Modellraketentriebwerk 
Abstract:
A simple optical system for measurement of 2D temperature field was developed for a model rocket engine available at the chair of Turbomachinery & Flight Propulsion of Technical University of Munich. The rocket engine was provided with an optical access on one side of the combustor. A band ratio technique (similar to the two-colour method) was employed in which integrated intensities in two spectral bands were imaged using a CMOS greyscale camera. The two bands selected were centred at 850 nm and 925 nm with a width (FWHM) of 25 nm each. The temperature was calibrated against the intensity ratio of two bands using methane-air and methane-oxygen flames on a flat flame (McKenna) burner. Soot was not significant even in rich flames and the same calibration curve was found to be valid for both the fuel-oxidiser combinations for lean, rich, and stoichiometric conditions. Two methods were investigated for determination of temperatures. In method-1, the calibration was performed using temperatures known from DLR experiments for standard methane-air flames. This calibration was used to calculate temperatures for methane-oxygen flames which were validated against reference temperatures known from previous study. In method-2, an alumina-silica fibre (~36 µm diameter) was used as a thin filament pyrometer (TFP) to measure temperatures in methane-oxygen flames which were then used for calibration. Calculations of temperature field were done using this calibration for methane-air and methane-oxygen flames which were validated against reference values from previous studies. In both the methods, the error in temperatures was higher close to the burner and decreased with height. This was due to camera misalignment and uncertainty in reference temperatures close to the burner surface. Focusing on a region from 5 mm to 15 mm above the burner exit, the error in method-1 was within 10% and for method-2 it was within 13%. No direct control on flowrates was available and they were indirectly set using pressure regulators of limited precision. This was the main source of error in both methods. Further to this contributor, multifilament nature of the fibre resulting in inhomogeneity contributed to error in TFP measurements and hence in method-2. The maximum error in TFP measurements was found to be ~12%. Application of the measurement setup to the rocket engine was assessed. It is shown that the same calibration curve can be applied to the rocket engine flame. Pointers for further investigation and improvements are also given. 
Translated abstract:
Ein einfaches optisches System zur Messung des 2D-Temperaturfeldes wurde für ein Modellraketentriebwerk entwickelt, das am Lehrstuhl für Turbomaschinen & Flugantriebe der Technischen Universität München verfügbar ist. Das Raketentriebwerk war auf einer Seite der Brennkammer mit einem optischen Zugang versehen. Es wurde eine Bandverhältnistechnik (ähnlich der Zweifarbenmethode) verwendet, bei der integrierte Intensitäten in zwei Spektralbändern unter Verwendung einer CMOS-Graustufenkamera abgebildet wurden. Die zwei ausgewählten Banden waren bei 850 nm und 925 nm mit einer Breite (FWHM) von jeweils 25 nm zentriert. Die Temperatur wurde gegen das Intensitätsverhältnis von zwei Bändern unter Verwendung von Methan-Luft- und Methan-Sauerstoff-Flammen auf einem Flachflammenbrenner (McKenna) kalibriert. Ruß war selbst in fetten Flammen nicht signifikant, und es wurde festgestellt, dass dieselbe Kalibrierungskurve für beide Brennstoff-Oxidationsmittel-Kombinationen für magere, fette und stöchiometrische Bedingungen gültig war. Zur Temperaturbestimmung wurden zwei Methoden untersucht. Bei Methode-1 wurde die Kalibrierung mit Temperaturen durchgeführt, die aus DLR-Experimenten für Standard-Methan-Luft-Flammen bekannt sind. Diese Kalibrierung wurde verwendet, um Temperaturen für Methan-Sauerstoff-Flammen zu berechnen, die anhand von Referenztemperaturen validiert wurden, die aus früheren Studien bekannt waren. Bei Methode 2 wurde eine Aluminiumoxid-Silica-Faser (~36 µm Durchmesser) als dünnes Filamentpyrometer (TFP) verwendet, um Temperaturen in Methan-Sauerstoff-Flammen zu messen, die dann zur Kalibrierung verwendet wurden. Berechnungen des Temperaturfeldes wurden unter Verwendung dieser Kalibrierung für Methan-Luft- und Methan-Sauerstoff-Flammen durchgeführt, die anhand von Referenzwerten aus früheren Studien validiert wurden. Bei beiden Methoden war der Temperaturfehler in der Nähe des Brenners größer und nahm mit der Höhe ab. Dies war auf eine Fehlausrichtung der Kamera und Unsicherheit bei den Referenztemperaturen in der Nähe der Brenneroberfläche zurückzuführen. Betrachtet man einen Bereich von 5 mm bis 15 mm über dem Brennerausgang, lag der Fehler bei Methode 1 innerhalb von 10 % und bei Methode 2 innerhalb von 13 %. Es war keine direkte Steuerung der Durchflussraten verfügbar, und sie wurden indirekt unter Verwendung von Druckreglern begrenzter Präzision eingestellt. Dies war die Hauptfehlerquelle bei beiden Methoden. Darüber hinaus trug die Multifilamentnatur der Faser, die zu Inhomogenität führte, zu Fehlern bei TFP-Messungen und damit bei Methode 2 bei. Der maximale Fehler bei TFP-Messungen wurde mit ~12 % festgestellt. Die Anwendung des Messaufbaus auf das Raketentriebwerk wurde bewertet. Es wird gezeigt, dass die gleiche Kalibrierungskurve auf die Flamme des Raketentriebwerks angewendet werden kann. Es werden auch Hinweise für weitere Untersuchungen und Verbesserungen gegeben. 
Keywords:
Combustion; Temerature; Flame; Thermometry; Infrared; Spectra; Rocket 
Subject:
ERG Energietechnik, Energiewirtschaft; MAS Maschinenbau; MSR Meßtechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik, Automation; MTA Technische Mechanik, Technische Thermodynamik, Technische Akustik; TEC Technik, Ingenieurwissenschaften (allgemein) 
DDC:
620 Ingenieurwissenschaften 
Advisor:
Winter, Fernanda; Perakis, Nikolaos 
Referee:
Haidn, Oskar J. (Prof. Dr.) 
Date of acceptation:
15.02.2019 
Date of publication:
09.05.2022 
Year:
2019 
Pages:
48 
Language:
en 
Language from translation:
de 
University:
Technische Universität München 
Faculty:
TUM School of Engineering and Design 
Presentation date:
15.02.2019