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Main Title: Identification and modeling of coherent structures in swirl stabilized combustors at dry and steam diluted conditions
Translated Title: Identifikation und Modellierung von kohärenten Strukturen in drallstabilisierten Brennkammern bei trockenen und dampfverdünnten Betriebsbedingungen
Author(s): Terhaar, Steffen
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Gutmark, Ephraim J.
Oberleithner, Kilian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Gasturbinen sind die Schlüsseltechnologie für eine Sicherstellung der zuverlässigen Stromversorgung, wenn große Teile des Stroms aus fluktuierenden erneuerbaren Energieformen stammen. Um zukünftige Anforderungen, wie Effizienzsteigerungen, Schadstoffreduktionen, schnelle Regelzeiten und Treibstoffflexibilität zu erreichen, werden neue Verbrennungskonzepte wie die "Ultra-Nasse" Verbrennung benötigt. Bei diesem Konzept wird die Wärme des Abgasstrahls genutzt, um Wasserdampf zu erzeugen, der in die Brennkammer eingedüst wird, um die Effizienz zu erhöhen und die Emissionen zu verringern. Dampfzugabe und Brennstoffflexibilität führen zu einer großen Variation der Reaktivität des zu verbrennenden Gemisches und in der Konsequenz zu verschiedenen Flammenformen und Strömungsfeldern in der Brennkammer. In der vorliegenden Arbeit wird das Strömungsfeld in drallstabilisierten Gasturbinenbrennkammern experimentell und analytisch untersucht. Der Fokus der Arbeit ist auf das Auftreten und die Modellierung von großskaligen kohärenten Strömungstrukturen und deren Auswirkungen auf die Verbrennung gerichtet. In den ersten Kapiteln dieser Arbeit wird eine bekannte selbsterregte helikale kohärente Strömungsstruktur, der sogenannte präzessierende Wirbelkern (precessing vortex core, PVC) untersucht. Es wird gezeigt, dass das Auftreten des PVC eng mit der Flammenform verbunden ist. Die hohe praktische Relevanz des PVC wird durch seinen Einfluss auf Mischungsvorgänge, Flammenoszillationen und die Flammenstabilisierung verdeutlicht. Die Analyse der hydrodynamischen Stabilität der gemittelten Strömungsfelder ermöglicht die Modellierung des PVC und die Identifikation der Schlüsselparameter, die die Anfachung oder Unterdrückung des PVC bestimmen. Auf Basis der Modellierung können weiterhin Kontrollmechanismen entwickelt werden, um den PVC gezielt zu beeinflussen. Bei der zweiten Form von kohärenten Strukturen, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden, handelt es sich um achsensymmetrische Ringwirbel. Die Wirbel werden durch eine Kopplung der Flamme mit der Systemakustik angeregt, interagieren mit der Flamme und können thermoakustische Instabilitäten verbunden mit starken Druckschwankungen hervorrufen. In einer experimentellen und analytischen Untersuchung wird das lineare und nichtlineare Anfachen der Wirbel in den Scherschichten des Strömungsfeldes bestimmt und modelliert. Die Ergebnisse zeigen die Relevanz eines neuartigen Sättigungsmechanismus für die Ringwirbel und damit auch für thermoakustische Instabilitäten. Basierend auf den vorherigen Ergebnissen wird im letzten Teil der Arbeit die Interaktion der selbsterregten helikalen kohärenten Struktur (PVC) und der Ringwirbel untersucht. Die Experimente zeigen einen starken Einfluss der Ringwirbel auf den PVC. Die Interaktionsmechanismen werden unter Berücksichtigung der hydrodynamischen Stabilität der Strömungsfelder identifiziert und für eine Modellbildung genutzt. Die Modellbildung erlaubt ein tiefergehendes Verständnis der experimentell beobachteten Phänomene.
Gas turbines are the key technology for the backup of fluctuating renewable electrical energy sources. Future requirements are low pollutant emissions, high cycle efficiencies at fast start-up and turn-down times, and increased fuel flexibility. Advanced cycles, such as the ultra-wet cycle, are developed to fulfill these requirements, but at the same time impose new challenges to the gas turbine combustor design. In the ultra-wet cycle, steam is produced from the hot exhaust gases and is injected into the combustion process. Thereby, the cycle efficiency is increased and the pollutant emissions are significantly reduced. However, the addition of steam to the combustion further increases the range of reactivities of the fuel--air--steam mixture. This leads to a multitude of different flame shapes in the combustor with different flow fields and flow field dynamics. In the present thesis the flow fields and flow field dynamics of swirl-stabilized combustors are experimentally investigated and analytically modeled. The focus is placed on the occurrence of large-scale coherent flow structures and their impact on the combustion process. In the first chapters of this thesis, a well-known helical, self-excited coherent flow structure, denoted as the precessing vortex core (PVC), is assessed. Its occurrence is shown to be linked to different flame shapes, which are demonstrated to strongly depend on the reactivity of the fuel--air--steam mixture. The importance of the PVC for flame fluctuations, mixing processes, and the flame stabilization is experimentally demonstrated. In an analytical study employing linear hydrodynamic stability analysis, the PVC is modeled and the key parameters for its excitation and suppression are identified. Furthermore, the modeling allows for the identification of control strategies for the suppression of the PVC by small flow field modifications. The second type of coherent flow structures investigated in this thesis are axisymmetric, ring-shaped vortices that are excited by the coupling of the flame with the acoustics of the combustion system. This coupling can lead to dangerous high amplitude acoustic pressure oscillations and heat release fluctuations, called thermoacoustic instabilities. One key driver for the flame oscillations is the interaction of the flame with these axisymmetric vortical coherent flow structures. In an experimental and analytical study, the growth of these vortical structures in the linear and non-linear regime is investigated and their important role for the flame oscillation is pointed out. Furthermore, the analytical study reveals an important and new saturation mechanism for the vortical structures and, thus, for the thermoacoustic instabilities. Finally, the interaction of both types of coherent structures is analyzed. The experiments reveal a strong influence of the axisymmetric structures on the PVC. Employing the same analytical tools as in the previous parts, the mechanisms for the influence are identified and a simple model analogy is presented, which features the most important dynamics and allows for a better insight into the interaction mechanisms.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-63389
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4658
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4361
Exam Date: 16-Feb-2015
Issue Date: 12-Mar-2015
Date Available: 12-Mar-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Drallstabilisierte Verbrennung
Gasturbinen
Lineare Stabilitätsanalyse
Strömungsinstabilitäten
Verbrennungsdynamik
Combustion dynamics
Gas turbine combustion
Linear stability analysis
Precessing vortex core
Swirl-stabilized combustion
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