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Akustische Charakterisierung Nanosekunden-gepulster Plasmasequenzen und deren Verwendung zur Regelung thermoakustischer Instabilitäten

Bölke, Olaf

FG Experimentelle Strömungsmechanik

Um einen effizienten und schadstoffarmen Betrieb moderner Gasturbinen zu ermöglichen, werden diese mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen befeuert. Dabei sind gerade diese mageren Flammen anfällig für thermoakustische Instabilitäten. Bei dieser Kopplung von Druck- und Wärmeschwankungen können im Resonanzfall in der Brennkammer so hohe Schwankungsamplituden erzeugt werden, dass es zur Schädigung umliegender Strukturen, zur Senkung der Effizienz und zur Erhöhung der Schadstoffemissionen kommen kann. Aktive Regelungsmethoden, welche flexibel auf den jeweiligen Betriebsbereich eingehen können, sind daher eine vielversprechende Möglichkeit um das Ausmaß dieser unerwünschten Instabilitäten zu reduzieren. Jedoch existieren nur wenige Aktuatoren, welche einen signifikanten Einfluss auf die Systemdynamik ausüben, den hohen Temperaturen sowie Drücken in der Brennkammer standhalten und zudem energieeffizient arbeiten. Aktuelle Studien zeigen, dass mittels Nanosekunden-gepulster (NRP) Hochspannungsentladungen erzeugtes Nichtgleichgewichtsplasma eben diese hohen Anforderungen erfüllt. Dabei sind die komplexen Wirkmechanismen der plasmaunterstützten Verbrennung noch immer Thema aktueller Studien. Ziel dieser Arbeit ist daher, basierend auf experimentellen Untersuchungen, das Wissen über die Interaktionsmechanismen zwischen dem NRP-Plasma und der Flamme zu erweitern.Zudem werden die Möglichkeiten und Grenzen eines auf NRP-Plasmasequenzen basierenden Regelungssystems in verschiedenen Versuchsaufbauten untersucht. Als einer der relevanten Wirkmechanismen der plasmaunterstützten Verbrennung fokussieren sich die Untersuchungen zunächst auf den Effekt des NRP-Plasmas auf das akustische Feld.Hierzu wird ein analytisches Modell zur Abschätzung der akustischen Quellamplitude aufgestellt und experimentell validiert. Das Modell erfasst über die Pulsenergie relevante Parameter wie die Pulswiederholfrequenz, den Elektrodenabstand und die Modulationsmethode. Somit ergibt sich erstmalig ein Modell, mit dem die akustische Quellamplitude von beliebigen NRP-Plasmasequenzen in Luft abgeschätzt werden kann. Berücksichtigt werden dabei die für die Akustik von modernen Gasturbinen relevanten Zeitskalen von 0,1 bis 10 ms. Des Weiteren ermöglichten optische Messungen der für die Wärmefreisetzungsrate eines Verbrennungsprozesses relevanten Lichtmissionen zwischen 300 und 340 nm die Analyse der Plasma-Flammen-Interaktionen. Die Ergebnisse beschreiben hierbei eine mit den tieffrequent-modulierten NRP-Plasmasequenzen korrelierende Schwankung der integralen Wärmefreisetzungsrate der Flamme sowie eine stromauf bzw. stromab Verschiebung der mittleren Flammenposition. Mittels der in dieser Arbeit definierten Flammentransferfunktion kann darüber hinaus eine steigende Sensitivität der Flammenantwort bei sinkender Flammenleistung und sinkendem Äquivalenzverhältnis beobachtet werden. Messungen der Lichtintensität und der Pulsenergie ermöglichen zudem die Ermittlung des dynamischen Verhaltens des Entladungskanals, abhängig von der entsprechenden Phasenlage des HV-Pulses. Dabei lässt sich auf einen signifikanten Einfluss der Flammenbewegung auf die Pulsenergie folgern, welcher über den Effekt der Aufenthaltszeit reaktiver Teilchen und Wärme vorangehender HV-Entladungen dominiert. Zuletzt werden zwei Regelungsansätze, basierend auf tieffrequent-modulierten NRP-Plasmasequenzen zur Regelung von thermoakustischen Instabilitäten, vorgestellt. Mittels beider Ansätze kann die Druckamplitude sowohl im Rijke-Rohr als auch im thermoakustisch instabilen Flammenprüfstand um mehrere Größenordnungen reduziert werden, wodurch das Schwingungssystem in einigen Fällen sogar vollständig stabilisiert wird. Des Weiteren zeigt sich, basierend auf den Analysen der Flammenanwort, dass der Regelungserfolg lediglich bei entsprechend hohen Werten der in dieser Arbeit definierten Aktuator-Transferfunktion möglich ist.
To allow for efficient and low-emission operation, modern gas turbines are usually fired with lean fuel-air mixtures. However, these lean flames are especially sensitive to thermoacoustic instabilities. This coupling of pressure and heat fluctuations can generate such high fluctuation amplitudes in the case of resonance that the efficiency is reduced, pollutant emissions are increased and even surrounding structures can be damaged. Active control methods can be flexibly adapted to the respective operating range and are, therefore, a promising way to reduce the extent of these undesirable instabilities. However, there are only a few actuators that have a significant influence on the system dynamics, withstand the high temperatures and pressures in the combustion chamber, and are energy efficient. Recent studies show that non-equilibrium plasma generated by nanosecond repetitively pulsed (NRP) plasma discharges fulfills these demanding requirements. However, the complex interaction mechanisms of plasma-assisted combustion are still the subject of current studies. Therefore, the objective of this work is to extend the knowledge of the interaction mechanisms between the NRP plasma and the flame based on experimental investigations. In addition, the possibilities and limitations of a control system based on NRP plasma sequences are investigated in different experimental setups. As one of the relevant mechanisms of plasma-assisted combustion, the investigations initially focus on the effect of NRP plasma on the acoustic field. For this purpose, an analytical model for the estimation of the acoustic source amplitude is established and experimentally validated. The model captures relevant parameters such as the pulse repetition frequency, the electrode spacing and the modulation method via the pulse energy. Thus, for the first time, the acoustic source amplitude of any NRP plasma sequence in air can be estimated by a model. In doing so, relevant time scales for the acoustics of modern gas turbines, 0.1 to 10 ms, are taken into account. Furthermore, optical measurements of the light emissions between 300 and 340 nm, which are relevant for the heat release rate of a combustion process, allowed for the analysis of plasmaflame interactions. The results obtained here describe a fluctuation of the integral heat release rate of the flame correlated with the low-frequency modulated NRP plasma sequences as well as an upstream and downstream movement of the mean flame position. Furthermore, based on the flame transfer function defined in this work, increasing sensitivity of the flame response can be observed with decreasing flame power and decreasing equivalent ratio. Additionally, measurements of the light intensity and the pulse energy allow for the dynamic behavior of the discharge channel to be determined, depending on the corresponding phase position of the HV pulse. It is observed that the flame movement has a significant influence on the pulse energy and dominates over the effect of the residence time of reactive particles and heat generated by preceding HV discharges. Finally, two control approaches based on low-frequency modulated NRP plasma sequences for the control of thermoacoustic instabilities are presented. By applying both approaches, the pressure amplitudes in a Rijke tube as well as in a thermoacoustically unstable reacting test rig can be reduced by several orders of magnitude. The oscillating system could be even completely stabilized in many cases. Furthermore, based on the analyses of the flame response, it is shown that control success is only possible with correspondingly high values of the actuator transfer function defined in this thesis.