Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7474
Main Title: Modification of a high pressure test rig for thermoacoustic measurements
Translated Title: Anpassung eines Hochdruckprüfstands für thermoakustische Messungen
Author(s): Niether, Sebastian
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Bothien, Mirko Ruben
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Current stationary gas turbines for power generation rely on lean premixed combustion, in order to achieve low emissions of detrimental exhaust gases, such as NOx. However, employment of this combustion process can lead to the occurrence of thermoacoustic instabilities. Characterized by strong pressure fluctuations inside the combustion chamber, this phenomenon has negative effects on exhaust gas emissions, efficiency, noise characteristics, and durability of the gas turbine. Thus, inhibition of these unwanted pressure fluctuations is a major concern for manufacturers. Usually, stability of a combustion system in the entire operating envelope can only be conclusively verified in full-scale engine tests. Yet, they are highly expensive and therefore inefficient. Thus, tests in high pressure combustion test rigs are conducted. In these studies, parameters like the flow field, temperature profiles, and mean the pressure level are similar to the engine. Yet, the acoustic boundary conditions, which have a strong influence on the stability of a combustion system, might not be equal. This is true, even for modern can-annular combustors. Interactions with the turbine and neighboring combustor cans potentially influence the acoustic boundary condition at the combustion chamber outlet. A system that has proven stable operation in high pressure tests might therefore be susceptible to unexpected self-excited pressure oscillations in the engine. To avoid this shortcoming, an active modification of the acoustic boundary condition in high pressure tests is perceived as a viable method. The scheme, e. g., allows for adaptation of the test rig’s combustor outlet impedance to that present in the engine. Within this thesis, modifications for enabling acoustic investigations on an existing high pressure test facility are proposed. Under the premise of retaining the original geometry, the test rig shall be equipped with suitable instruments to realize two main objectives. One goal is the active modification of the acoustic boundary condition (impedance tuning), allowing for a direct assessment of a burner system’s stability characteristics. The second goal is the measurement of the flame transfer behavior, which may be used for stability analysis in a low-order network model. As the results are obtained within a high pressure scenario, they are not dependent on any simplifying assumptions usually associated with data from atmospheric test rigs. Initially, the requirements for achieving both objectives are stated and the necessary hardware modifications, incorporating acoustic sensors and actuators both upstream and downstream of the burner, are outlined. A major difficulty of implementation of the equipment lies in the adaptation to the existing geometry, which is hardly suited for acoustic measurements. For upstream acoustic forcing, a siren actuator is proposed. Its positioning is numerically investigated at two locations inside the test rig. Furthermore, two sensor concepts for the region upstream of the burner are proposed. Both concepts incorporate dynamic pressure sensors for determination of the acoustic variables at the burner inlet, which is required for measurements of the flame transfer behavior. Implementation of impedance tuning requires a sensor array inside the combustion chamber. However, the existing geometry impedes the use of a standardized method for plane wave decomposition. Thus, techniques for a frequency-domain and a time-domain determination of the upstream and downstream propagating waves in a duct of non-uniform cross-section are developed. For acoustic excitation downstream of the combustion chamber, a novel actuation concept is proposed. It incorporates a proportional valve, which injects high mass flows of modulated air into the restriction at the combustion chamber outlet. On one hand, the location supports a successful implementation of impedance tuning, due to advantageous time delays. On the other hand, injection of a modulated air flow into the smallest cross-section adds the effect of an oscillatory blockage of the main air flow. Thereby, the achievable actuation amplitude is strongly increased versus mounting of the same actuator at any other location in the test rig. With the results presented in this thesis, a comprehensive concept for the implementation of modifications for thermoacoustic measurements on a high pressure test rig is introduced.
Aktuelle stationäre Gasturbinen zur Stromerzeugung setzen auf eine mager vorgemischte Verbrennung, um niedrige Emissionen von schädlichen Abgasen wie NOx zu erreichen. Der Einsatz dieses Verbrennungsprozesses kann jedoch zu thermoakustischen Instabilitäten führen. Dieses Phänomen, das durch starke Druckschwankungen in der Brennkammer gekennzeichnet ist, wirkt sich negativ auf die Abgasemissionen, den Wirkungsgrad, das Geräuschverhalten und die Lebensdauer der Gasturbine aus. Die Vermeidung dieser unerwünschten Druckschwankungen ist von großem Interesse für die Hersteller. Die Stabilität eines Verbrennungssystems im gesamten Betriebsbereich lässt sich in der Regel nur in Tests an der kompletten Maschine abschließend nachweisen. Allerdings sind diese sehr teuer und daher ineffizient. So werden Tests in Hochdruck-Verbrennungsprüfständen durchgeführt. In diesen Studien sind Parameter wie das Strömungsfeld, das Temperaturprofil und das mittlere Druckniveau gleich derer in der Maschine. Die akustischen Randbedingungen, die einen starken Einfluss auf die Stabilität eines Verbrennungssystems haben, sind jedoch möglicherweise nicht gleich. Dies gilt auch für moderne Can-Brennkammern. Wechselwirkungen mit der Turbine und benachbarten Brennkammern können die akustischen Randbedingungen am Brennkammerauslass beeinflussen. Ein System, das im Hochdruckversuch keine instabilen Betriebspunkte aufweist, kann in der Maschine dennoch anfällig für Druckschwankungen sein. Um dies zu vermeiden, kann eine aktive Veränderung der akustischen Randbedingung im Prüfstand durchgeführt werden. Ein entsprechendes Konzept erlaubt z. B. die Anpassung der Impedanz am Brennkammerauslass des Prüfstands an die der Maschine. Im Rahmen dieser Arbeit werden Modifikationen zur Ermöglichung akustischer Untersuchungen an einem bestehenden Hochdruck-Verbrennungsprüfstand vorgeschlagen. Unter Beibehaltung der ursprünglichen Geometrie soll der Prüfstand mit geeigneten Vorkehrungen zur Erreichung von zwei Hauptzielen ausgestattet werden. Ein Ziel ist die aktive Veränderung der akustischen Randbedingung (Impedance Tuning), die eine direkte Beurteilung der Stabilitätseigenschaften eines Brennersystems ermöglicht. Das zweite Ziel ist die Messung des Flammenübertragungsverhaltens, das zur Stabilitätsanalyse in einem niederdimensionalen Netzwerkmodell verwendet wird. Da die Ergebnisse aus Hochdruckversuchen stammen, sind sie nicht von vereinfachenden Annahmen abhängig, mit denen üblicherweise Daten von atmosphärischen Prüfständen übernommen werden können. Zunächst werden die Anforderungen zur Erreichung beider Ziele festgelegt und die notwendigen Hardwaremodifikationen umrissen, die akustische Sensoren und Aktuatoren stromauf und stromab des Brenners umfassen. Eine große Schwierigkeit bei der Umsetzung der Modifikationen liegt in der Anpassung an die bestehende Geometrie, die für akustische Messungen generell eher ungeeignet ist. Für die akustische Anregung stromauf des Brenners wird eine Sirene vorgeschlagen, dessen Positionierung an zwei Stellen im Prüfstand numerisch untersucht wird. Weiterhin werden zwei Sensorkonzepte für den Bereich stromauf des Brenners vorgeschlagen. Bei beiden werden durch dynamische Drucksensoren die akustischen Größen am Brennereintritt erfasst, die zur Bestimmung des Flammenübertragungsverhaltens benötigt werden. Die Umsetzung der aktiven Impedanzanpassung erfordert ein Sensorarray in der Brennkammer. Die vorhandene Geometrie erschwert jedoch die Implementierung einer standardisierten Methode zur ebenen Wellenzerlegung. Daher werden Methoden zur Bestimmung der sich stromauf und stromab ausbreitenden Schallwellen für Frequenz- und Zeitbereichsmessungen in einem Kanal mit veränderlichem Querschnitt entwickelt. Für die akustische Anregung stromab der Brennkammer wird ein neuartiges Anregungskonzept vorgeschlagen. Dabei werden zur Schallerzeugung mit Hilfe eines Proportionalventils hohe Massenströme modulierter Luft in die Verengung am Brennkammerauslass eingedüst. Zum einen unterstützt die Anregungsposition die erfolgreiche Umsetzung der aktiven Impedanzanpassung durch vorteilhafte Zeitverzüge. Andererseits bewirkt die Eindüsung eines moduliertenLuftmassenstroms in den kleinsten Querschnitt eine oszillierende Blockage des Hauptluftmassenstroms. Dadurch wird die erreichbare Anregungsamplitude, gegenüber der Anbringung des gleichen Aktuators an jeder anderen Stelle im Prüfstand, stark erhöht. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wird ein umfassendes Konzept vorgestellt, das Anpassungen eines Hochdruckprüfstands für thermoakustische Messungen ermöglicht.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8322
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7474
Exam Date: 5-Jul-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 11-Oct-2018
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): gas turbines
thermoacoustics
high pressure test rig
Gastburbinen
Thermoakustik
Hochdruckprüfstand
Sponsor/Funder: BMWi, 03ET7011C, Thermoakustische Anpassung der Prüfstände im Clean Energy Center
BMWi, 03ET7011N, Anwendung: Thermoakustische Anpassung der Prüfstände im Clean Energy Center
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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