Dynamik instabiler Strömungen

Datengetriebene Modellierung physikalischer Wirkmechanismen in Brennkammern

Background

Im Rahmen der AG Turbo beschäftigt sich die Gruppe Robuste Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz (RoboFlex) der TU Berlin mit der Weiterentwicklung von Gasturbinenbrennkammern, um diese für neue Anforderungen weiterzuentwickeln. Die ursprünglich für einen Arbeitspunkt ausgelegten Gasturbinen müssen heute im Verbund mit den erneuerbaren Energien neue Fahrweisen bewerkstelligen, um Netzschwankungen auszugleichen und Versorgungssicherheit gewährleisten zu können. So erhöht sich nicht nur die Anzahl der Start- und Stopp-Zyklen für vorhandene Kraftwerke, sondern werden die Turbinen auch immer stärker außerhalb ihres Auslegungspunktes betrieben. Aus dieser geänderten Betriebsweise ergeben sich neue Anforderungen an den Verbrennungsprozess in den Maschinen. Die Arbeit der Gruppe ist in drei Teilprojekte unterteilt, die diese Ziele mit verschiedenen Herangehensweisen bearbeiten.

Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der experimentellen Erforschung der Kopplung von Akustik und Flammendynamik, welche zu selbstverstärkenden thermoakustischen Instabilitäten führen kann. Zur Beschreibung der Stabilität des Verbrennungsprozesses wird diese Interaktion typischerweise durch die Flammentransferfunktion beschrieben, welche in akustischen Netzwerkmodellen verwendet wird.

Die Flammentransferfunktion stellt jedoch einen Black-Box-Ansatz dar, da die einzelnen Wirkmechanismen der Wärmefreisetzungsschwankungen sowie deren Interaktion nicht aufgelöst werden. Darüber hinaus ist eine thermoakustische Charakterisierung der Flamme notwendig zur Berechnung der Flammentransferfunktion, welche sehr aufwändige Messkampagnen mit sich bringt – insbesondere für industrierelevante Geometrien.

Methoden

In diesem Projekt wird ein White-Box Ansatz verfolgt, welcher die einzelnen Mechanismen die zu Fluktuationen der Wärmefreisetzung beitragen experimentell identifiziert.

Zur experimentellen Erforschung thermoakustischer Instabilitäten, steht im Rahmen des Teilprojektes ein entsprechend ausgerüsteter Versuchsstand mit industrieller Brennkammergeometrie bereit.

Durch den Einsatz zeitlich hochaufgelöster laserbasierter Flammen- und Strömungsdiagnostik, kann die Interaktion von hydrodynamischen Schwankungen mit Fluktuationen der Wärmefreisetzung in Zusammengebracht werden. Mittels datengetriebenen Methoden sollen die unterschiedlichen physikalischen Mechanismen räumlich aufgelöst und deren Dynamik beschrieben werden, wodurch ein tieferes Verständnis des komplexen Zusammenhangs ergibt. Gezielte Parameterstudien erlauben dabei die Einflüsse der Randbedingungen, wie beispielsweise Vormischung oder Brennstoffzusammensetzung, zu quantifizieren. Die gewonnenen Strömungs- und Flammendaten werden ebenfalls für die Validierung von numerischen Simulationen eingesetzt.

Durch eine niederdimensionale Modellierung mittels unterschiedlicher Verfahren, wie spektrale POD, Resolventen oder linearer Stabilitätsanalyse, können die einzelnen Dynamiken anhand weniger Parameter beschrieben werden.

Da der Versuchsträger ebenfalls mit akustischer Messtechnik bestückt werden kann, werden ebenfalls Flammentransferfunktionen für unterschiedliche Parameter aufgenommen, welche als Benchmark für die Modellierung eingesetzt werden können.

Aus der Modellierung lassen sich Einstellparameter ableiten, welche eine große Wirkung auf grundlegenden Mechanismen haben, sodass diese gezielt beeinflusst werden können. Daraus werden sich Optimierungen ergeben, welche in zukünftigen Gasturbinen die geforderte Betriebsflexibilität erhöhen können.

Resultate

Die üblicherweise zur Modellierung benutzte Flammentransferfunktion (FTF) bildet das Zusammenspiel verschiedener physikalischer Wirkmechanismen ab, linke Abbildung. In einer ersten Untersuchung wurde die Rolle der hydrodynamischen Instabilitäten in Bezug auf die globalen Wärmefreisetzungsfluktuationen beleuchtet. Dazu wurde die Strömung akustisch angeregt und mit zeitaufgelöster Messtechnik die Flammendynamik aufgezeichnet. Eine Phasenmittelung erlaubt die zweidimensionale Darstellung der Flammenantwort auf die akustische Anregung.

Analog wurde die natürliche, also nicht angeregte, Flammen- und Strömungsdynamik aufgezeichnet. Mittels spektraler POD konnte in der natürlichen Strömung für einige Frequenzen die gleiche Flammendynamik wie in der akustisch angeregten Strömung gefunden werden, mittlere Abbildung. Unter bestimmten Voraussetzungen sorgen hydrodynamische Instabilitäten in der natürlichen Strömung für die gleiche Flammendynamik, wie im akustisch angeregten Fall. Dies legt nahe, dass die Interaktion von Strömung und Flamme auch ohne Aufwändige akustische Messungen studiert werden kann.

In einem weiteren Schritt wurden mittels extended spektraler POD die Wärmefreisetzungsschwankungen, welche durch die Hydrodynamik verursacht werden, berechnet. Durch eine Korrelation (Alignment) dieser mit der globalen Dynamik der Wärmefreisetzung, konnten Frequenzbereiche identifiziert werden in denen die hydrodynamischen Fluktuationen den Hauptwirkmechanismus für die Flammendynamik darstellen – in Bereichen mit hohem Alignment.

Partner

Das Projekt wird im Rahmen der AG Turbo finanziert von MAN Energy Solutions SE und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) unter der Fördernummer 03EE5013E.