Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5517
Main Title: Experimental investigation and analysis of the nonlinear response of turbulent swirl-stabilized flames
Translated Title: Experimentelle Untersuchung der nichtlinearen Antwort einer turbulenten, drallstabilisierten Flamme
Author(s): Schimek, Sebastian
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Noiray, Nicolas
Gutmark, Ephraim
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Um eine niedrige Schadstoffemission bei der Stromerzeugung zu realisieren, wird bei den meisten Gasturbinen die magere Vormischverbrennung genutzt. Jedoch neigt diese Verbrennungstechnologie zu thermoakustischen Instabilitäten. Diese entstehen infolge einer Wechselwirkung zwischen der instationären Wärmefreisetzung der Flamme und dem akustischen Feld in der Maschine und können sehr starke Druckschwankungen verursachen. Um einer Beschädigung der Gasturbine vorzubeugen, müssen diese daher vermieden werden. Dies führt häufig zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches. Stand der Technik ist die Anwendung linearer Netzwerkmodelle bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern, um das mögliche Auftreten thermoakustischer Instabilitäten in Abhängigkeit des Betriebspunktes vorherzusagen. Aufgrund ihres linearen Charakters eignen sich diese Modelle jedoch nicht für Vorhersagen der auftretenden Druckamplituden. Diese sind notwendig, um zu beurteilen, ob eine bestimmte Instabilität tatsächlich eine Gefährdung für die Maschine darstellt oder temporär während des Betriebs toleriert werden kann. Hierfür ist die Erweiterung der Modelle um die amplitudenabhängige Flammenantwort, die sogenannte „flame describing function“ notwendig. Viele Mechanismen, welche für die Flammenantwort auf akustische Störungen verantwortlich sind, wurden in der Vergangenheit bezüglich ihres möglichen Anteils am nichtlinearen Verhalten der amplitudenabhängigen Flammenantwort untersucht. Hierzu zählen beispielsweise Schwankungen des Äquivalenzverhältnisses, Fluktuationen der Flammenoberfläche, Schwankungen der Drallzahl und die Anregung kohärenter Strukturen. Dennoch bleibt die quantitative Vorhersage von Nichtlinearitäten und Sättigungen der amplitudenabhängigen Flammenantwort eine Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit werden drei Publikationen zusammengefasst und erörtert, welche sich mit experimentellen Untersuchungen der amplitudenabhängigen Flammenantwort in einem atmosphärischen, drallstabilisierten, mageren Vormischbrenner mit hoher Reynoldszahl befassen. Die Flammenantwort auf akustische Anregung über einen breiten Frequenzbereich wurde mittels OH* Chemolumineszenz gemessen. Akustische Anregungsamplituden, bis hin zu Geschwindigkeitsfluktuationen welche der Größenordnung der mittleren Geschwindigkeit im Brenner entsprechen, wurden hierbei verwendet. OH* Chemolumineszenz -Bilder der Flamme und Strömungsfelder wurden für verschiedene Anregungsfälle untersucht. Hierbei wurde beobachtet, dass viele Sättigungen der amplitudenabhängigen Flammenantwort von Änderungen des gemittelten Strömungsfeldes und der mittleren Flammenform in der Brennkammer abgeleitet werden können. Systematische Änderungen des mittleren Strömungsfeldes und der mittleren Flammenform bei wachsenden Anregungsamplituden, welche einen signifikanten Einfluss auf den Betrag und die Phase der Flammenantwort haben, wurden beobachtet. Bei einer hydrodynamischen linearen Stabilitätsanalyse wurde eine starke Korrelation zwischen der Sättigung der Verstärkung kohärenter Strukturen durch die Scherschichten in der Brennkammer und Sättigungen in der amplitudenabhängigen Flammenantwort gefunden.
In order to meet low emission standards, modern gas turbines are mostly operated in lean premixed combustion mode. This technology is prone to thermoacoustic pulsations, which are an interaction of the unsteady heat release of the flame and the acoustic field in the engine. These instabilities are associated with high-amplitude pressure pulsations which have to be avoided. To prevent resulting damage of the gas turbine, operating conditions often have to be constricted. Linear network models are state of the art in the development process of gas turbine combustors for predicting the possible occurrence of thermoacoustic instabilities for certain operating conditions. Due to their linear nature, these methods are not capable of predicting the resulting finite pressure amplitudes associated with a certain instability. The amplitude dependent response of the flame to acoustic perturbations, the so-called flame describing function, has to be known in order to predict the occurring pressure spectra and estimate whether a certain thermoacoustic instability may harm the engine or can be temporally tolerated during operation. Several mechanisms involved in the flame response to acoustic perturbations have been studied in the past regarding their possible responsibility for the occurrence of nonlinearities in the flame describing function, e.g., equivalence ratio oscillations, flame front fluctuations, swirl number fluctuations or the excitation of coherent structures. However, the quantitative prediction of saturations and nonlinearities of the flame describing function remains challenging. The present work summarizes and discusses three publications experimentally investigating the flame describing function of an atmospheric swirl stabilized, lean, premixed combustor at high Reynolds numbers. The heat release response in terms of OH* chemiluminescence fluctuations to acoustic forcing up to acoustic velocity fluctuations on the order of the mean flow velocity is investigated over a broad frequency range. OH* chemiluminescence images and flow field measurements are analyzed for various forcing conditions. It is observed that several saturations in the flame describing function can be explained by means of average quantities of the flow field and the flame in the combustion chamber during oscillation. Systematic changes of the flow field and flame shape with increasing oscillation amplitudes are observed that have a significant influence on the gain and the phase of the flame describing function. A hydrodynamic linear stability analysis is carried out, which shows a strong correlation between the saturation of the amplification of coherent structures in the shear layers in the combustor flow and saturations in the flame describing function.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5924
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5517
Exam Date: 25-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 7-Oct-2016
DDC Class: DDC::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): flame describing function
nonlinear
saturation
flame response
thermoacoustic
Flammenantwort
Sättigung
nichtlinear
Thermoakustik
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