Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2058
Main Title: Impedance Tuning: A Method for Active Control of the Acoustic Boundary Conditions of Combustion Test Rigs
Translated Title: Impedance Tuning: Eine Methodik zur aktiven Kontrolle der akustischen Randbedingungen von Verbrennungsprüfständen
Author(s): Bothien, Mirko Ruben
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Eine der größten Herausforderungen für die Entwicklung zukünftiger schadstoffarmer Gasturbinenkraftwerke ist die Gewährleistung eines stabilen Verbrennungsprozesses. Um die immer strikter werdenden Emissionsrichtlinien, vor allem hinsichtlich NOx, zu erfüllen, führte die Gasturbinenindustrie die Mager-Vormisch-Verbrennung ein. Zwar kann so den Regierungsvorgaben entsprochen werden, jedoch ist diese Art der Verbrennung anfälliger für das Auftreten selbsterregter Verbrennungsschwingungen. Diese thermoakustisch induzierten Instabilitäten resultieren aus einer Kopplung des akustischen Feldes in der Brennkammer mit Schwankungen in der Wärmefreisetzung. Wenn die Phasenbeziehung zwischen den beiden Mechanismen derart ist, dass sie konstruktiv miteinander interferieren, entstehen Wärmefreisetzungs- und Druckfluktuationen, die hohe Amplituden erreichen und damit den Verbrennungsprozess nachteilig beeinflussen können. Thermoakustische Instabilitäten erhöhen die mechanische Bauteilbelastung sowie die Schadstoff- und Geräuschemissionen und können im schlimmsten Fall sogar zur Zerstörung der Maschine führen. Innerhalb des Entwicklungsprozesses neuer Gasturbinen kommt der Entwicklung des Brenners eine immens wichtige Rolle zu, da er die Maschinenkomponente ist, die den größten Einfluss auf die Stabilität der Verbrennung hat. Da es bei weitem zu aufwendig und kostenintensiv wäre, die Eigenschaften neuer Brenner in jeder Entwicklungsphase in der Gasturbine zu testen, werden stattdessen Versuche an Brennerprüfständen durchgeführt. Mit Hilfe dieser Versuche, numerischer Berechnungsmethoden sowie niederdimensionaler Netzwerkanalysen wird versucht, das Verhalten des Brenners in der Gasturbine vorherzusagen. Da das thermoakustische Verhalten sehr stark von den akustischen Randbedingungen der jeweiligen Brennkammer abhängt, ist es nahe liegend, dass die Randbedingungen im Prüfstand jenen in der Gasturbine entsprechen oder ihnen zumindest nahe kommen sollten. Dies ist üblicherweise jedoch nicht der Fall. Deshalb ist es möglich, dass der Verbrennungsprozess im Prüfstand bei bestimmten Betriebsbedingungen stabil ist, in der Gasturbine bei gleichen Bedingungen hingegen Instabilitäten aufweist. Aus diesem Grund wird in dieser Dissertation die Entwicklung einer neuen Versuchsmethodik vorgestellt, die, basierend auf einem aktiven Regelalgorithmus, in der Lage ist, die akustischen Randbedingungen von Brennerprüfstanden so zu beeinflussen, dass sie mit denen in der Gasturbine übereinstimmen. Um das Eingangssignal für den Regler zu erhalten, wird das ebene akustische Feld im System gemessen und instantan, d.h. im Zeitbereich, in stromab- und stromaufwärts laufende Wellen zerlegt. Ein modellbasierter Regler generiert daraus das Steuersignal für einen akustischen Aktuator, der das akustische Feld in vorgeschriebener Art und Weise manipuliert. Dadurch ist es möglich, die akustischen Randbedingungen in einem breiten Frequenzintervall stufenlos zwischen reflektionsfrei und vollständig reflektierend einzustellen. Mit Hilfe des Regelkonzepts werden die Randbedingungen eines atmosphärischen Brennerprüfstands, der mit einem drall-stabilisierten Brenner ausgerüstet ist, gezielt für die kalte als auch die reagierende Strömung verändert. So wird beispielsweise die Länge des Prüfstands virtuell, d.h. ohne Änderung der Prüfstandsgeometrie, modifiziert, mit dem Resultat, dass die Resonanzfrequenzen des geregelten Systems sich von denen des ungeregelten unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die akustische Randbedingung derart einzustellen, dass sie der einer kritisch durchströmten Düse entspricht, ohne dass der vorherrschende Strömungszustand tatsächlich kritisch ist. Somit ist zum ersten Mal überhaupt der experimentelle Nachweis dafür erbracht, dass die Randbedingungen eines Einzelbrennerprüfstands aktiv an die der Gasturbine angepasst werden können. Zunächst werden Lautsprecher als akustische Aktuatoren verwendet, um das Konzept experimentell zu validieren und seine Leistungsfähigkeit zu bewerten. Hervorragende Ergebnisse, die Möglichkeit eines Einsatzes in breiten Frequenzbereichen und die bequeme Handhabung qualifizieren Lautsprecher für Versuche unter Laborbedingungen sowie zur Validierung und Optimierung des Regelkonzeptes. Eines der Hauptziele dieser Dissertation ist es jedoch, eine profunde Basis dafür zu legen, dass die Versuchsmethodik zu einem Standardwerkzeug in der industriellen Brennerentwicklung werden kann. Da Lautsprecher für den Einsatz in Industrieprüfständen nicht robust genug sind und ihre akustische Leistung nicht ausreichend ist, werden zusätzlich andere Aktuatoren untersucht. Mit zwei dieser Aktuatorkonzepte ist es möglich, ähnlich gute Resultate wie mit den Lautsprechern zu erzielen. Beiden liegt dasselbe Prinzip zu Grunde: Durch die Modulation eines Luftmassenstroms wird eine akustische Anregung erzeugt. Um den voneinander abweichenden Übertragungscharakteristiken der Aktuatoren Rechnung zu tragen, kommen unterschiedliche Regelalgorithmen zum Einsatz. Außer zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses neuer Brenner, kann das Regelkonzept auch in anderen Bereichen angewendet werden. Durch die gezielte Regelung der akustischen Randbedingungen von Verbrennungssystemen ist es möglich, den thermoakustischen Kopplungsmechanismus zu unterbrechen und so Verbrennungsinstabilitäten zu unterdrücken. Die gezielte Transition von instabiler zu stabiler Verbrennung (und umgekehrt) ermöglicht es zudem, die Vorhersagequalität akustischer Netzwerkmodelle anhand experimenteller Daten zu bewerten. Die Vorhersagen der Netzwerksimulationen werden hinsichtlich der linearen Anfachungsrate, des Übergangs von Stabilität zu Instabilität sowie der Frequenz der Mode mit der geringsten Stabilität untersucht.
One of the main issues for the development of low-emission gas turbine power plants is the stability of the combustion process. In order to follow stringent NOx emission restrictions, lean-premixed combustion was introduced by the gas turbine industry. Combustion systems operating in this mode are, however, susceptible to self-excited oscillations arising due to an interaction of the unsteady heat release and the acoustic field in the combustion chamber. If the two mechanisms constructively interfere, high amplitude pressure and heat release fluctuations occur, which have a detrimental effect on the combustion process. These so-called thermoacoustic instabilities cause structural wear, increase noise and pollutant emissions, and can even lead to engine failure. The most important component influencing the tendency to thermoacoustic instabilities is the burner, making its development a crucial task. Since it is far too expensive, the quality of new burner generations cannot in each step of the design process be assessed in the full-scale engine. This is usually accomplished by means of extensive experimental investigations in combustion test rigs. These experiments in conjunction with computational fluid dynamics, finite element calculations, and low-order network models are then used to predict the burner's performance in the full-scale engine. Especially, information about the thermoacoustic behaviour and the emissions is very important. As the thermoacoustics strongly depend on the acoustic boundary conditions of the system, it is obvious that test rig conditions should match or be close to those of the full-scale engine. This is, however, generally not the case. Hence, if the combustion process in the test rig is stable at certain operating conditions, it may show unfavourable dynamics at the same conditions in the engine. In this dissertation, therefore, a method is developed which uses an active control scheme to manipulate the acoustic boundary conditions of combustion test rigs. To achieve this, multiple pressure measurements are used to decompose the plane wave acoustic field in the system online, i.e., in the time domain, into its up- and downstream propagating parts to generate the control input. A model-based controller calculates the driving signal for an acoustic actuator, which manipulates the acoustic field. Using this method, the boundary conditions can be continuously modified, ranging from anechoic to fully reflecting in a broad frequency range. The concept is applied to an atmospheric combustion test rig with a swirl-stabilized burner both in isothermal and reactive flow conditions. For the first time, it is shown that the test rig properties can be tuned to correspond to those of the full-scale engine. For example, the test rig length can be virtually extended, thereby introducing different resonance frequencies, without having to implement any hardware changes. Furthermore, the acoustic boundary condition can be changed to that of a choked flow without the need that the flow is actually choked. The concept is first experimentally validated and thoroughly assessed by using woofers as actuating devices. Excellent results, operability over a broad frequency range, and easy handling make woofers the number one choice for lab-scale experiments and optimization as well as validation of the control scheme. One major objective of this thesis is, however, to provide a profound basis for the control concept to become a standard tool in the industrial burner development process. Since woofers most probably will not withstand the harsh environmental conditions encountered in industrial test rigs and do not exhibit sufficient control authority, especially at elevated pressures and high thermal powers, other actuators are tested to avoid these shortcomings. Two of these, a proportional high-bandwidth valve and an electro-pneumatic transducer, both relying on the same principle of modulating high air mass flows, prove to be able to produce almost as good results as it is the case for the woofers. Different formulations of the controller, tailored to satisfy the specific needs posed by the different actuators, are set up. Besides its main objective of improving the burner development process, the control scheme has also alternative fields of applications. Controlling the acoustic boundary conditions of combustion systems is an effective means to disrupt the thermoacoustic feedback cycle to mitigate combustion instabilities. This can either be done by increasing the losses across the system boundaries or by manipulating the phase relationship between unsteady heat release and acoustic field. Being, thus, able to invoke a controlled transition from instability to stability and vice versa, allows to experimentally assess the predictive capabilities of low-order network models. This is done regarding frequency of the least stable mode, linear growth rate, and transition from stable to unstable operation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-21058
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2355
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2058
Exam Date: 10-Dec-2008
Issue Date: 13-Jan-2009
Date Available: 13-Jan-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aktive Instabilitätskontrolle
Kontrolle akustischer Randbedingungen
Lineare Stabilitätsanalyse
Thermoakustik
Verbrennungsinstabilitäten
Acoustic boundary control
Active control of combustion instabilities
Burner development
Linear stability analysis
Thermoacoustic
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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