Aktive Strömungskontrolle von hydrodynamischen Instabilitäten in Gasturbinenbrennkammern

Die vorgemischte, drallstabilisierte Verbrennung zeichnet sich durch geringe Schadstoffemissionen aus, was insbesondere in Hinblick auf die Einhaltung von Umweltauflagen entscheidend ist.  Diese Art der Verbrennung kann sehr effizient sein, da mit einem Luftüberschuss im zündfähigen Brennstoff-Luftgemisch ein stabiler Verbrennungsprozess gewährleistet werden kann. Diese Art von mageren, vorgemischten Drallflammen können jedoch thermoakustische instabil werden, wenn die Wärmefreisetzung der Flamme in Phase mit dem akustischen Druckfeld in der Brennkammer schwingt. Die resultierenden thermoakustischen Moden können sehr hohe Amplituden in der Brennkammer erreichen, welche einen sicheren und stabilen Betrieb der Gasturbine gefährden.

Die thermoakustischen Moden verursachen axialsymmetrische kohärente Wirbelstrukturen im Strömungsfeld der Brennkammer. Diese kohärenten Strukturen beeinflussen ebenso die Dynamik der Flamme und können auch die Schadstoffemission nach oben treiben. Innerhalb dieses komplexen, reagierenden Strömungsfeldes kann auch eine weitere kohärente Struktur auftreten, die als Precessing Vortex Core (PVC) bekannt ist und eine helikale Struktur ausweist. Der PVC tritt als eine globale hydrodynamische Instabilität auf, die mit einer azimutalen Wellenzahl von ein beschrieben werden kann. Die helikale kohärente Struktur des PVC führt in den Scherschichten zur Ausbildung von stromab mäandernden Wirbeln, welche die Form und Dynamik der Flamme beeinflussen (siehe Abbildung 1).

Wir beschäftigen uns im Rahmen dieses Projektes mit der Untersuchung des direkten Einflusses des Precessing Vortex Core (PVC) auf die Dynamik, thermoakustische Instabilitäten und Emissionen drallstabilisierter Flammen mittels aktiver Strömungskontrolle.

Wir sind daran interessiert die Effekte des PVC auf die Verbrennungs- und Strömungseigenschaften tiefgehender zu erforschen und diese vorteilhaft zu nutzen. Dazu wurde die Möglichkeit geschaffen den PVC im Experiment gezielt und direkt am Ort seiner Entstehung zu kontrollieren. Der zur aktiven Strömungskontrolle eingesetzte Aktuator (siehe oben) ermöglicht eine azimutale Anregung des PVC im offenen und geschlossenen Regelkreis. Damit kann der PVC gezielt gedämpft und verstärkt werden.

Zur Charakterisierung des PVC und dessen Einfluss auf die Strömung und Verbrennung kommen neben sensorbasierten Druckmessungen auch moderne optische und laserbasierte Messverfahren zum Einsatz. Dazu zählen Chemilumineszenz-Messungen, Particle Image Velocimetry (PIV), Quantitative Light Sheet (QLS) Methoden und verschiedene Methoden von Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Die Datenerhebung erfolgt zeitaufgelöst (mit hohen Samplingraten), was die Anwendung von modernen datengetrieben Analysemethoden, wie z.B. Spectral Proper Orthogonal Decomposition (SPOD) ermöglicht.

Das thermoakustische Verhalten der Flamme wird typischerweise mit einer sogenannten Flammentransferfunktion (FTF) beschrieben. Die FTF wird mithilfe der Multi Microphone Methode (MMM) über Messungen des akustischen Feldes in der Brennkammer bestimmt. Für die Messung von Schadstoffemissionen wie Stickoxiden (NO_x) und Kohlenmonoxid (CO) steht eine moderne Emissionsmessanlage zur Verfügung, die kontinuierlich die Zusammensetzung des Abgases überwacht.

Mithilfe von dynamischen Druckmessungen und OH*-Chemilumineszenz-Messungen konnte gezeigt werden, dass der PVC die mittlere Flammenform derart ändern kann, dass die Amplitude von selbst-erregten thermoakustischen Schwankungen deutlich reduziert werden kann (Abbildung 2, links).  Zwei verschiedene Mechanismen konnten basierend auf experimentellen Daten hergeleitet werden, die dieses Phänomen erklären (Abbildung 2, recht).

Zum einen verändert der PVC die mittlere Flamme derart, dass der Großteil der Wärmefreisetzung nahe des Brennerauslasses stattfindet, wo der PVC vermehrt turbulente Fluktuationen hervorruft. Dadurch kommt es zu weniger Wärmefreisetzungsschwankungen weiter stromab, an den Flammenspitzen statt, welche besonders sensitiv gegenüber thermoakustischen Schwankungen sind. Entsprechend nimmt der Gain der FTF mit zunehmender PVC-Amplitude ab. Da sich die Position der auftretenden thermoakustisch-induzierten Oszillationen nicht ändert, bleibt die Phase der FTF konstant.

Der zweite Mechanismus bezieht sich auf Änderungen des gemittelten Strömungsfeldes, die durch den PVC hervorgerufen werden. Mithilfe linearer hydrodynamischer Stabilitätsanalyse (LSA) kann gezeigt werden, dass der PVC den Gain der Kelvin-Helmholtz Instabilität reduziert. Die Kelvin-Helmholtz Instabilität ist für die Ausbildung der axialsymmetrischen Wirbelstrukturen durch die thermoakustischen Moden verantwortlich. Daher führt diese Gain-Reduzierung ebenso zu einer Verringerung des FTF Gains.

In der untersuchten Flammenkonfiguration konnte gezeigt werden, dass durch die vom PVC induzierten Wirbelstrukturen, die NO_x Emissionen geringfügig ansteigen. Die Gründe dafür können vielfältig sein und bedürfen weiterer Untersuchungen. Dazu zählt die Untersuchung des Einflusses des PVC auf die Mischung von Brennstoff und Luft und damit verbundene Auswirkungen auf die Bildung von Schadstoffen.