Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4322
Main Title: Nonlinear thermoacoustic stability analysis of gas turbine combustion chambers
Translated Title: Nichtlineare thermoakustische Stabilitätsanalyse von Gasturbinenbrennkammern
Author(s): Cosic, Bernhard
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Noiray, Nicolas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Gasturbine ist die Schlüsseltechnologie für eine effiziente und flexible Erzeugung von Strom und für den Antrieb von Flugzeugen. Zurzeit stellt diese Technologie bereits den höchsten elektrischen Wirkungsgrad für die Umwandlung von fossilen Brennstoffen bei gleichzeitig geringen Emissionen und schnellen Anfahrzeiten bereit. Um Schadstoffemissionen zu minimieren, ist die magere Vormischverbrennung von besonderer Bedeutung. Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser Technologie ist das Auftreten von thermoakustischen Instabilitäten. Bei diesen Verbrennungsinstabilitäten handelt es sich um eine Kopplung von Wärmefreisetzungsschwankungen durch die Flamme und Druckschwankungen im akustischen Feld. Thermoakustische Instabilitäten schränken den Betriebsbereich der Gasturbine ein und beeinträchtigen dadurch die Schadstoffreduktion und Effizienzerhöhung der Gesamtmaschine. Die Flamme antwortet auf Brennstoffverhältnis- und Geschwindigkeitsschwankungen mit Wärmefreisetzungsschwankungen, die Energie in das akustische Feld übertragen. Dieser Energietransport treibt die thermoakustische Instabilität an. Durch die Sättigung der Flammenantwort stellt sich eine Grenzamplitude im eingeschwungenen Zustand ein. Folglich bildet die Kenntnis der Flammenantwort die Grundlage für die Vorhersage der Instabilitätsfrequenz und der Schalldruckamplitude. Diese nichtlineare Flammentransferfunktion wurde experimentell mit Mikrofonen, Strömungsfeld- und Wärmefreisetzungsmessungen untersucht. Neben einer phänomenologischen Untersuchung der Sättigungseffekte der Flamme wurde die nichtlineare Flammenantwort auch über einen Blackbox-Ansatz vermessen, der für das verwendete Vorhersagewerkzeug benötigt wird. Es wurden Hinweise auf bisher unbekannte nichtlineare Sättigungsmechanismen der Flamme bei dem untersuchten industrierelevanten Brenner gefunden. Außerdem wurde ein Verfahren entwickelt, das bei der Brennerentwicklung Zeit und Kosten einspart, indem der Messaufwand für die Bewertung der Mischungsinhomogenitäten für die Flammenantwort reduziert wird. In Gasturbinenbrennkammern sind akustische Dämpfer installiert, die die Instabilitäten unterdrücken oder zumindest die Schalldruckamplituden stark reduzieren. Oft sind die Dämpfer über akustische Resonatoren realisiert und sind heißen Abgasströmen ausgesetzt, die mit dem Kühlluftstrom des Dämpfers interagieren und bei höheren Amplituden auch in den Dämpfer eindringen können. Ein Ziel der Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der heißen Brennkammerabgase auf die Dämpfer experimentell zu bestimmen und theoretisch zu modellieren. Dazu wurden Mikrofon- und Geschwindigkeitsfeldmessungen unter gasturbinenbrennkammerähnlichen Randbedingungen durchgeführt. Die Messungen zeigen einen signifikanten Einfluss der heißen Querströmung in der Brennkammer auf die akustische Dämpferantwort. Die Frequenzen, bei denen der Dämpfer besonders gut funktioniert, werden verschoben und die Dämpfung verringert sich. Bei hohen Amplituden sinkt die Dämpfung noch weiter ab und die schmale Frequenzantwort verschiebt sich noch stärker vom Auslegungspunkt weg. Diese Einflüsse wurden detailliert modelliert. Die Flammen- und Dämpferantwort wurden erfolgreich zur Vorhersage der Amplitude und Frequenz thermoakustischer Instabilitäten bei verschiedenen Randbedingungen in ein akustisches Netzwerkmodell implementiert. Aufwändige Messungen von thermoakustischen Instabilitäten bei verschiedenen Brennkammergeometrien wurden durchgeführt, um das Vorhersagewerkzeug ohne den Einfluss des Dämpfers zu verifizieren. Es wurde eine sehr gute Vorhersagegenauigkeit bezüglich der Schalldruckamplitude und Frequenz mit dem entwickelten Vorhersagewerkzeug erzielt. Abschließend wurde die Interaktion der beiden Nichtlinearitäten des Dämpfers und der Flamme theoretisch untersucht, was als Grundlage für zukünftige Untersuchungen dienen kann.
Currently, the stationary gas turbine is the core technology for the highest energy conversion rates available. Additionally, gas turbines are very flexible and can complement the power production of wind turbines and solar power stations very well and they are widely used as propulsion engines in the aviation industry. Liquid and gaseous fuels are burnt at very high temperatures of approximately 1600°C and electricity is produced at a conversion efficiency of more than 60%. The strict emission regulations are satisfied with the help of the lean premixed combustion technology. Here, large amounts of air are mixed with the fuel prior to burning it. This drastically limits the peak temperature in the flame and thereby reduces the NOx emissions. The major drawback of this technology is the susceptibility to thermoacoustic instabilities. These are coupled high amplitude heat release and pressure oscillations, which can significantly limit the operation range of engines. Thermoacoustic instabilities are difficult to predict and can, in the worst case, destroy essential parts of the gas turbine. These combustion instabilities restrain the operational range of gas turbines and are a reason for increased emissions and decreased efficiency. Therefore, models and prediction tools are of high importance in the design process of combustion chambers. Moreover, the understanding of the physical effects causing nonlinear damping and the nonlinear flame response is of utmost importance. The scope of this thesis is the prediction of limit cycle amplitudes of an industrially relevant combustion system with realistic acoustic boundary conditions and, furthermore, the improved understanding of the relevant nonlinear effects. Firstly, the nonlinear response of a perfectly and partially premixed flame is investigated by means of microphone, chemiluminescence, and flow field measurements. The degree of spatial unmixedness is varied and the impact of temporal mixture inhomogeneities is assessed. Subsequently, the amplitude-dependent acoustic response of Helmholtz dampers and of the other boundary conditions are analyzed with the help of acoustic and flow field measurements. These dampers are used by all gas turbine manufactures in gas turbines to control and attenuate thermoacoustic instabilities. The experiments were conducted under realistic conditions by exposing the damper to hot exhaust gas. Finally, the stability map of a premixed combustor is predicted and compared to extensive stability experiments. The present work significantly extends the state of the art in flame describing function based nonlinear network modeling in several ways. The nonlinear response of a turbulent swirl flame is studied up to extremely high excitation amplitudes. Nonlinear mechanisms of the practically relevant flame are investigated in detail allowing for a better understanding and future modeling of the complex mechanisms. The identified saturation mechanisms are associated to mixture inhomogeneities and to hydrodynamic effects. The correct assessment of the nonlinearity of the acoustic dampers is of crucial importance for the prediction of instabilities in a real engine. For the first time, the temperature differences between the grazing flow and the cross-flow emanating from a Helmholtz resonator are investigated in terms of the influence on the acoustic response of the resonator. It is shown that density gradients between the cooling flow of the damper and the combustor flow significantly affect the damper efficiency and resonance frequency. These effects are successfully modeled and explained in detail. The nonlinear flame and damper response can be used in a nonlinear stability analysis to predict the frequency and amplitude of thermoacoustic instabilities. This is done for the first time for an industrially relevant combustor for a range of combustor lengths, thus, allowing for a realistic assessment of the accuracy of the method. Additionally, a theoretical analysis of the interaction between damper and flame paves the way for encouraging investigations in the future.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-61259
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4619
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4322
Exam Date: 25-Nov-2014
Issue Date: 20-Jan-2015
Date Available: 20-Jan-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Flammentransferfunktion
Gasturbine
Helmholtz Resonator
Thermoakustik
Verbrennung
Combustion
Flame describing function
Gas turbine
Thermoacoustics
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