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Untersuchung der Sekundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Gasturbinen-Brennkammerströmung

Krautkremer, Bernd :
Untersuchung der Sekundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Gasturbinen-Brennkammerströmung.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung der Sekundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Gasturbinen-Brennkammerströmung
Language: German
Abstract:

„Untersuchung der Sekundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Gasturbinen-Brennkammerströmung“ Zur Einstellung, der für eine effiziente und schadstoffarme Verbrennung notwendigen Luftzahlen in Gasturbi-nen-Brennkammern muss, beim Entwurf des Flammrohres die Belochung zur Sekundärluftzufuhr ausgelegt werden. Hierzu werden üblicherweise Korrelationen verwendet, die aus Experimenten zur Strahleinblasung in eine ebene Querströmung gewonnen wurden. In moderne Gasturbinen werden jedoch zur Flammenstabilisierung Drallströmungen eingesetzt. Für einen solchen Fall verlieren die bisher verwendeten Korrelationen ihre Gültig-keit. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der Vorliegenden Arbeit aerodynamische Untersuchungen zur Se-kundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Querströmung durchgeführt. Hierzu erfolgte eine mehrstufige Expe-rimentfolge, bei der die Komplexität des zu untersuchenden Strömungsphänomens sukzessive gesteigert wurde. Mittels eines zwischen zwei Nebenstromkanälen befindlichen Haupstromkanals wurde die Abwicklung eines Ringbrennkammersegmentes nachgebildet. Über verstellbare Drosselklappen konnten die Reynoldszahl des Hauptstroms und das Impulsverhältnis variiert werden. Neben Standardmessmethoden kamen Messtechniken zur Konzentrationsfeldmessung zum Einsatz, wobei eine Laser-Lichtschnittmesstechnik für die Belange am Misch-kammerprüfstand appliziert wurde und dort erstmalig zum Einsatz kam. Zur Nachbildung einer brennkammerty-pischen Drallströmung wurden jeweils drei gleiche Drallerzeuger in den Hauptstromkanal eingebaut. Es wurden zwei verschiedene Drallerzeugertypen verwendet, die eine wandabgehobene und eine wandanliegende Drall-strömung erzeugten. Die zum Vergleich von Drallströmungen verwendete Drallzahl wurde mittels der Erfassung des Reaktionsmomentes auf den Drallerzeuger ermittelt. Dies ermöglichte Messungen ohne Rückkopplung auf die Strömung. Die Untersuchungen gliederten sich in die Bereiche: • Einzeldrallströmung im halbunendlichen Raum • Einzeldrallströmung eingeschlossen • Mehrfachdrallströmung eingeschlossen • Einzelstrahleinblasung in eine eingeschlossene Mehrfachdrallströmung • Strahlreiheneinblasung in eine eingeschlossene Mehrfachdrallströmung Durch Visualisierung einzelner Drallströmungen im Laser-Lichtschnitt wurden die unterschiedlichen Strömungs-formen (wandanliegend, Umlenkung nach dem Austritt 180°; wandabgehoben, Öffnungswinkel 40°) der zwei verwendeten Drallerzeugertypen untersucht. Im eingeschlossenen Fall blieben die Grundformen erhalten. Die wandanliegende Strömung zeigte jedoch im Gegensatz zur wandabgehobenen eine deutliche Interaktion mit den Flammrohrwänden. Im Falle der eingeschlossenen Mehrfachdrallströmung zeigte wiederum die wandanliegende Strömungsform eine Interaktion sowohl mit der Flammrohrwand als auch mit der benachbarten Drallströmung. Dies wirkt sich auf das Eindringverhalten der Sekundärluft aus, da sich so unterschiedliche lokale Impulsstrom-dichteverhältnisse ausbilden. Mit den Versuchen der Einzelstrahleinblasung wurde der Sachverhalt verifiziert und Positionen stark unterschiedlicher Eindringtiefe identifiziert. Bei der wandabgehobenen Strömung zeigte sich die Eindringtiefe unabhängig von der Einblaseposition. Die Untersuchung der Strahlreiheneinblasung in eine eingeschlossene Mehrfachdrallströmung zeigten je nach Belochungskonfiguration eine unterschiedliche Mischungsgüte. Dabei wurde deutlich, dass die bei der Mischung mit einer ebenen Hauptströmung geltende Korrelation einer besseren Mischung mit steigender Eindringtiefe nicht mehr unbedingt gegeben ist. Vielmehr spielt beim Mischungsvorgang eines Strahles in einer komplexen Hauptströmung die Entwicklung der Strahltra-jektorie eine entscheidende Rolle, da neben der zur Verfügung stehenden Austauschfläche die lokalen Scherraten über die Güte der Mischung bestimmen. Bedingt durch die Möglichkeit des Lichtschnittverfahrens zweidimensionale Messungen in hoher zeitlicher Auf-lösung durchführen zu können wurden auch instationäre Mischungseffekte nachgewiesen. Bei beiden Drallströ-mungsformen zeigten sich zeitliche Schwankungen der lokalen Konzentrationen. Besonders deutlich wurde dieser Effekt bei der wandanliegenden Drallströmung, da hier neben lateralen Bewegungen der Sekundärluftstrahlen extreme Schwankungen der Eindringtiefe zu beobachten waren. Dieses Phänomen lässt sich dadurch begründen, dass die bei rezirkulierenden Drallströmungen immer vorhandenen Stagnationszonen ein gegen Unendlich strebendes Impulsstromdichteverhältnis bewirken. Damit verursachen schon kleine Lateralbewegungen der Drallströmung starke Veränderungen der Eindringtiefe. Untersuchungen mit einer ebenen Hauptströmung zeigten hingegen keine instationären Effekte. Die vorliegende Arbeit kann somit einen Beitrag zum besseren Verständnis der komplexen Mischungsvorgänge in einer Gasturbinenbrennkammer liefern. Es lassen sich Vorgehensweisen zum Belochungsdesign bei verschie-denen Drallströmungsformen ableiten. Weiterhin wurden Grundlagen gelegt, die dazu beitragen können aerody-namisch bedingte Instabilitäten in der Brennkammer zu vermeiden um so die Anregung gefährlicher Brennkam-merschwingungen zu unterbinden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
„Analysis of the Secondary Air Injection in a Swirling Flow of a Gas Turbine Combustion Chamber” To guarantee an efficient and clean combustion the fuel-air-ratio in gas turbine combustion chambers has to be controlled. For this reason appropriate orifices geometry in the liner for the injection of secondary air has to be designed. Normally correlations from experiments of a plane cross flow are used for the design process. In combustion chambers of modern gas turbines swirl flows are used for flame stabilisation purposes. In this case these correlations loose their universality. To solve this problems in this work aerodynamic experiments with the secondary air injection in swirling crossflows have been conducted. The experiments were carried out in a stepwise way of growing complexity. The experiments took place in a combustor model, which consist of three rectangular ducts simulating the unrolling of a combustion chamber segment. Adjustable nozzles allow the control of Reynolds-Number and momentum flux ratio. In parallel to standard measurement methods a laser light sheet technique has been used for the measurement of the concentration field. To simulate the typical combustor flow field three swirlers of two different types were situated in the front wall of the main chamber. On type of swirlers produced a wall detached swirl flow whereas the other type produced a wall attached one. The swirl number of the swirl flows has been determined by measuring the reaction momentum on the swirler. The steps of the examinations were as follows: • Single swirl flow in the semi infinite space • Enclosed single swirl flows • Enclosed multiple swirl flows • Single jet injection in enclosed single swirl flows • Injection of jet rows in enclosed swirl flows By the visualisation of the single swirl flow the different flow types has been examined. The wall attached type showed a deflection of 180°, whereas the wall detached typed produced an aperture angle of 40°. In the enclosed case this flow patterns did not modify. The wall attached flow showed in contrast to the wall detached one an obvious interaction with the liner walls. In the case of the enclosed multiple swirl flows again the wall attached flow showed an interaction between walls an adjacent swirl flow. This will have influence on the secondary air injection because the complex flow leads to varying local momentum flux ratios. The experiments with the single jet injection in the enclosed multiple swirl flow approved this presumption. Positions of strongly differing penetration depth have been indicated. While injecting in the flow of the wall detached versions the penetration depth has not been influenced by the injection position. The experiments with the injection of jet rows showed depending on the orifice configuration varying mixing quality. It became obvious, that the correlation between penetration depth and mixing quality which has been known from the case of the plane main flow is not valid in any case. In addition to the available exchange surface local sheer rates are dominating the mixing process. Due to the capability of the laser light sheet technique of providing two dimensional measurements with a high time resolution instationary mixing effects have been observed. Both flow types showed time dependent fluctuations of the local concentration. Especially the wall detached version showed this effect due to large lateral movements of the jets in combination with a strongly varying penetration depth. Parallel examinations with a plane main flow showed no instationary effects. This work will give a contribution to the better understanding of the complex mixing process in modern gas turbine combustion chambers. Approaches for the design of the liner orifices for different swirl flows can be derived. Further on basic principles have been revealed, which could help to avoid dangerous combustion oscillations.English
Uncontrolled Keywords: Aerothermodynamik, Lasermesstechnik, Lichtschnitt, Strömungsmesstechnik, Mischungsgüte, Drallzahl, Drallströmung, Sekundärluft, Magerverbrennung, Stickoxide, Verbrennungskonzepte, Luftstufung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Aerothermodynamik, Lasermesstechnik, Lichtschnitt, Strömungsmesstechnik, Mischungsgüte, Drallzahl, Drallströmung, Sekundärluft, Magerverbrennung, Stickoxide, Verbrennungskonzepte, LuftstufungGerman
Gas Turbine, Combustion, Swirl Flow, Secondary Air, Jet in Crossflow, Laser Light SheetEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000371
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3717
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes
Advisors: Hennecke, Prof. Ph.D Dietmar
Refereed: 8 January 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/371
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