Verhalten von Vormischflammen in akustisch zweidimensionalen Systemen
Final Report Abstract
Die wesentliche Zielsetzung dieses Vorhabens war die experimentelle Untersuchung des Einflusses transversaler akustischer Anregung auf das dynamische Flammenverhalten. Hierfür wurde eine neuartige Versuchseinrichtung entwickelt, die es ermöglicht einen einzelnen Drallbrenner bzw. eine Drallflamme einem 2- dimensionalen akustischen Feld auszusetzten, das vergleichbar mit dem einer Ringbrennkammer beim Auftreten von Umfangsmoden ist. Ursprünglich war dabei vorgesehen, die transversale Schnelleanregung der Vorkammer und der Brennkammer aufzuprägen. Neuere Veröffentlichungen zeigten jedoch auf, dass Umfangsmoden in der Brennkammer keine wesentliche Veränderung der Flammendynamik hervorrufen. Aus diesem Grund wurde der Fokus dieses Vorhabens auf die transversale Schnelleanregung der Vorkammer gesetzt. Diese transversale Schnelleanregung führt zu einer signifikanten Beeinflussung des dynamischen Flammenverhaltens durch die Ausbildung einer rotierenden Strömungsschwankung. Der zugrunde liegende Wirkungsmechanismus dieser rotierenden Strömungsschwankung wurde als konvektiver Transportprozess identifiziert und charakterisiert. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass dieser Effekt auf radiale Drallerzeuger beschränkt ist und bei axialen Drallerzeugern nicht auftritt. Im Inneren des untersuchten radialen Drallerzeugers kommt es in Abhängigkeit von Massenstrom und Anregungsfrequenz zu einer Überlagerung von Bereichen erhöhter Umfangsgeschwindigkeit, die von der transversalen Anregung erzeugt werden. Der auf einer Seite des Drallerzeugers generierte Bereich erhöhter Umfangsgeschwindigkeit wird konvektiv zur gegenüberliegenden Seite transportiert und überlagert sich dort mit dem dortigen Bereich. Entspricht diese konvektive Transportzeit exakt der halben Periode der Anregungsfrequenz erfährt die rotierende Strömungsschwankung ihre stärkste Ausprägung. Die Charakteristiken der rotierenden Strömungsschwankung wurde durch vier CTA-Sonden in der Brennerdüse sowie die Analyse der Flammenaufnahmen aus zwei unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen bestimmt. Die rotierenden Strömungsschwankung wird konvektiv zur Flamme transportiert und verursacht eine komplett asymmetrische Wärmefreisetzungsschwankung, die sich substanziell vom bekannten, axialen Anregungsfall unterscheidet. Durch den Vergleich der FTF bei AX- und SI-Anregung wurde aufgezeigt, dass sich durch die rotierende Strömungsschwankung das Antwortverhalten der Flamme eindeutig verändert. Speziell die signifikante Änderung der Amplitude der FTF führte zu der Schlussfolgerung, dass für eine zuverlässige und aussagekräftige Stabilitätsanalyse von Mehrbrenneranordnungen der Einfluss von Umfangsmoden berücksichtigt werden muss. Neben den Untersuchungen bei transversaler Anregung wurde im Rahmen dieses Vorhabens auch der elementare Einfluss der Brennkammergröße auf die FTF bestimmt. Es wurde dabei nachgewiesen, dass Drallflammen ohne merkliche Interaktion mit der Brennkammerwand ein signifikant höheres Antwortverhalten aufweisen. Durch die Interaktion zwischen Flamme und Brennkammerwand wurde zudem eine Verringerung der Verzugszeit um 20% festgestellt. Hierauf wurde die Erkenntnis begründet, dass FTF von Einzelbrennerprüfständen nur dann für die thermoakustische Stabilitätsanalyse von realen Gasturbinen verwendet werden dürfen, wenn die Flammen einen vergleichbaren Einschluss erfahren.
Publications
- Influence of the Confinement on the Flame Transfer Function. 18th International Congress on Sound and Vibration, Rio de Janeiro, Brazil, 2011
Hauser, M., Hirsch, C., Sattelmayer, T.
- Influence of Transversal Acoustic Excitation of the Burner Approach Flow on the Flame Structure. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 133, No. 4, 2011
Hauser, M., Lorenz, M., Sattelmayer, T.
