TU Darmstadt / ULB / TUprints

Combustion dynamics of premixed swirling flames with different injectors

Gatti, Marco (2020):
Combustion dynamics of premixed swirling flames with different injectors.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011392,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Combustion dynamics of premixed swirling flames with different injectors
Language: English
Abstract:

Lean premixed (LPM) combustion systems achieve low pollutant emission levels, with compact flames and high power densities, but are highly sensitive to dynamic phenomena, e.g, flashback, blowout and thermoacoustic instabilities, that hinder their practical application. Most LPM gas turbine combustors use swirling flows to stabilize compact flames for efficient and clean combustion. A better knowledge of the mechanisms of steady and unsteady combustion of lean premixed swirled mixtures is then of practical, as well as fundamental interest. This thesis is a contribute towards the achievement of this goal. A burner, made of several components with variable geometry, was specifically designed for this scope. An experimental analysis was conducted to investigate the main parameters leading to a reduction of the sensitivity of LPM systems to dynamic phenomena. The diagnostics applied include flame transfer function (FTF) measurements, laser diagnostics (LDV and PIV) and flame imaging. Large eddy simulations were also exploited to elucidate the mechanisms behind the experimental observations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Magervorgemischte (im Englischen, Lean Premixed (LP)) Brennkammern, in denen Erdgas und Luft in einem Äquivalenzverhältnis weit unter dem stöchiometrischen Wert verbrannt werden, sind eine der bekanntesten Technologien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Leider sind diese Technologien sehr empfindlich gegenüber dynamischen Phänomenen. Leistungs-verbesserung solcher LP Systeme wird seit vielen Jahren durch ihre Anfälligkeit für Blowout, Flashback und Verbrennungsinstabilitäten erschwert. Die meisten LP-Gasturbinenbrenner verwenden verdrallte Strömungen, um kompakte Flammen effizient und better bei hohen Leistungsdichten zu stabilisieren. Bessere Kenntnis der Mechanismen der instationären Verbrennungsvorgänge in magervorgemischt verdrallten Flammen ist daher von großer praktischer Bedeutung. In diesem Zusammenhang wurde der Noisedyn-Brenner im Rahmen dieser Arbeit speziell entwickelt. Dabei wurde der Brenner so konzipiert, dass leichte Änderungen der Injektor-Geometrie ermöglicht werden, um ihre Auswirkungen auf die Verbrennungseigenschaften zu evaluieren. Es wurden die Wirkung einer ringförmigen verdrallten Schaufel (Vane) und der Einfluss eines zentralen Staukörpers untersucht. Zunächst wurde die Untersuchung der Effekte der radial verdrallten Schaufel der mit einem zentralen Staukörper ausgestatteten Injektionseinheit durchgeführt. Da die Drallzahl S die Topologie der verdrallten Strömung und in dieser Hinsicht auch die Flammenstabilisierung determiniert, wurde die Drallzahl variiert. Bei nidriegen Drallzahlen (S <0,50) brennen die Flammen nahe des Blowoffs und weisen eine längliche Form auf. Bei sehr hohen Drallzahlen (S> 0,80) nimmt die Gefahr eines Rückschlags/Flashbacks drastisch zu, während gut stabilisierte kompakte Flammen bei mäßigen Drallzahlen erhalten werden. Die Drallzahl S bestimmt auch maßgeblich die Antwort der verdrallten Flammen auf akustische Störungen. Es konnte gezeigt werden, dass bei niedrigen Drallzahlwerten die Flammenübertragungsfunktion (im Englischen “Flame-Transfer-Function (FTF)) nähert sich diejenige von Keilflammen mit großen Verstärkungswerten über Eins bei niedrigen Frequenzen. Mit zunehmender Drallstärke zeichnen sich die FTF durch ein Sägezahnmuster aus, welche durch eine maximale Antwort charakterisiert ist, die unmittelbar durch einen starken Druckabfall im gleichen Frequenzbereich gefolgt wird. Es wurde auch festgestellt, dass eine regelmäßige Reduzierung der Flammenantwort erzielt wird, wenn die Drallzahl schrittweise bis zu einem Schwellenwert erhöht wird. Über diesen Wert wird ein Flashback ausgelöst, welcher durch eine akustische Anregung bei stark verdrallten Flammen zu beobachten ist. Die hier gewonnene Information wurde verwendet, um die FTF von verdrallten Flammen in Abhängigkeit von der Strouhal-Zahl auf der Grundlage der Strömungsgeschwindigkeit und einer effektiven Länge einschließlich der Flammenlänge und des Abstands zwischen dem Swirler und dem Injektorauslass neu zu skalieren. Es wurde gezeigt, dass eine richtige Einstellung der Änderung der Injektoreinheit zusammen mit Modifikationen der akustischen Eigenschaften der Brennkammer, z. B. durch eine Änderung der Länge des Abgasrohrs, können thermoakustische Instabilitäten, die in der NoiseDyn-Brennkammer beobachtet wurden, passiv kontrolliert werden. Insbesondere wenn eine starke Instabilität bei einer bestimmten Frequenz beobachtet wird, die einer hohen FTF-Flammenantwort entspricht, können Oszillationen gedämpft werden, indem das Injektorsystem so eingestellt wird, dass es bei dieser spezifischen Frequenz eine niedrige Flammenantwort aufweist. Diese Analyse wurde fortgesetzt, indem Mechanismen untersucht wurden, die zu maximalen und minimalen FTF-Werten führen. Hierzu wurden detaillierte experimentelle und numerische Analyse der Strömungs- und Flammendynamik bei diesen spezifisch erzwingenden Frequenzen durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass eine maximale Antwort der verdrallten Flammen, die durch einen zentralen Staukörper stabilisiert werden, durch die Bildung großer Wirbelstrukturen in der äußeren Scherschicht der Strömung gesteuert wird, welche sich später in die Flammenspitze entwicklen. Bei einer minimalen Flammenantwort wird dieser Mechanismus stark gedämpft, hauptsächlich aufgrund der nicht auftretenden großen Wirbelstrukturen. Experimentell wurde gezeigt, und durch numerische Simulationen bestätigt, dass das Ergebnis nicht von Interferenzmechanismen zwischen dem Wirbelwachstum und der Flappingbewegung der Flamme zurückzuführen ist, da die Wirbelstrukturen bereits in der kalten Strömung nicht auftreten. Es wurde ferner gezeigt, dass die Dynamik der kalten Strömung durch komplexe Wechselwirkungen zwischen azimuthalen Wirbelwellen und akustischen Longitudinalwellen gesteuert wird. Zusammen führen diese Wellen durch gut beschriebene Mechanismen, zum einen, zu großen Schwankungen der Drallzahlen, und zum anderen, zu einer starken Reduzierung der toroidalen Wirbelstrukturen der Antwort der kalten Strömung durch einen Mechanismus, der noch vollständig aufgeklärt werden muss. Es ließ sicht schlussfolgern, dass die starke Reduzierung der FTF-Verstärkung von verdrallten Flammen, die durch einen zentralen Staukörper stabilisiert wird, nur die Folge der Dynamik des Injektors der kalten Strömung ist. Dies öffnet den Weg zu neuen Möglichkeiten, die Antwort der Flammen zu kontrollieren. Der letzte Beitrag dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Rolle des zentralen Staukörpers in diesem Prozess. Es wurden Versuche mit zwei Flammen durchgeführt, die den gleichen Drallgrad, das gleiche Äquivalenzverhältnis und die gleiche Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. Jedoch wurde eine Flamme an einem zentralen Staukörper verankert, während die andere Flamme durch Entfernen dieser Komponente und leichtes Verringern des Durchmessers des Einspritzrohrs vollständig aerodynamisch stabilisiert wurde. Es konnte festgestellt werden, dass die starke Verringerung der FTF-Verstärkung, welche für die durch Staukörper verdrallt stabilisierte Flamme beobachtet wurde, bei der vollständig aerodynamisch stabilisierten Flamme nicht stattfindet. In diesem letzteren Fall wurde gezeigt, dass die Dynamik des internen Rezirkulationsbereichs, der große axiale Schwankung aufweist, unterscheidet sich drastisch von derjenigen der mit Staukörpern stabilisierten Drallflamme. Die Bildung von Wirbelstrukturen in der äußeren Scherschicht verändert sich stark aufgrund der Oszillation der zentralen Wirbelblase, was darauf hinweist, dass sich die Antwort der kalten Strömung aus den verwirbelten Injektoren mit und ohne Zentralkörper ebenfalls drastisch unterscheidet. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei Hauptmechanismen identifiziert, die die Antworte von LP-Flammen auf akustische Wellen bestimmen. Sie hängen alle mit der Dynamik der kalten Strömung der Injektoreinheit zusammen. Die erste, die zu hohen FTF-Verstärkung führt, ist die Bildung großer toroidaler Wirbelstrukturen in der äußeren Scherschicht der verdrallten Strömung. Die zweite, die möglicherweise zu einer Verringerung der FTF führt, ist die Interferenz von longitudinalen akustischen Wellen und azimuthalen Konvektionswellen, die von der Wirbelschaufel erzeugt werden und zu Schwankungen mit großer Drallzahl führen. Die letzte ist die Antwort der internen Rezirkulationsblase auf akustische Störungen, die große axiale Verschiebungen für aerodynamisch stabilisierte Flammen aufweisen. Das Kontrollieren der Dynamik dieser drei Mechanismen durch eine Analyse der Antwort des kalten Strömungsinjektors auf akustischen Wellen scheint eine vielversprechende Möglichkeit zu sein, die FTF von LP verdrallten Flammen zu modellieren bzw. zu formulieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 03 Feb 2020 14:58
Last Modified: 03 Feb 2020 14:58
DOI: 10.25534/tuprints-00011392
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113928
Referees: Gicquel, Dr. Laurent and Dawson, Prof. Dr. James
Refereed: 18 October 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11392
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