Thermoakustische Instabilitäten in Rohr-Ringbrennkammern

• Antragsteller: Alessandro Orchini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422037803

Verbrennungsinstabilitäten stellen weiterhin eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung leistungsfähiger, schadstoffarmer Verbrennungssysteme dar. Die thermoakustische Interaktion zwischen der instationären Wärmefreisetzung und den akustischen Moden der Brennkammer ist besonders stark bei stationären Gasturbinen ausgeprägt. In den zurückliegenden zehn Jahren wurden bedeutende Fortschritte zum Verständnis und bei der Modellierung von Verbrennungsschwingungen in annularen Brennkammern gemacht. Insbesondere aber die modernen, hocheffizienten Gasturbinen der H-Klasse verwenden ausschließlich Rohr-Ringbrennkammern (RRBKn). Bei dieser Brennkammerarchitektur findet der Verbrennungsvorgang in zwölf oder 16 Rohrbrennkammern statt, die aus aerodynamischer und thermodynamischer Sicht weitestgehend getrennt voneinander sind. Am ringförmigen Turbineneintritt sind zwei benachbarte Rohrbrennkammern aber über einen Spalt akustisch gekoppelt. Auf abstrakter Ebene lässt sich die Dynamik solch einer Konfiguration durch ein System schwach gekoppelter, selbsterregter Schwinger beschreiben. Ein Schwinger entspricht hierbei einer akustischen Mode eines isolierten Rohres, und die schwache Kopplung resultiert aus den Spalten am Turbineneintritt. Systeme schwach gekoppelter, nichtlinearer Schwinger treten in unterschiedlichsten Bereichen in Natur und Technik auf. Prominente Phänomene, assoziiert mit dieser Art von System, sind Lokalisierung und Synchronisation. Obwohl RRBKn schon seit geraumer Zeit in der Industrie im Einsatz sind, wurde diesen Phänomenen bisher aus thermoakustischer Sicht überraschend wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Dies ist aber im Hinblick auf thermoakustische Schwingungen in RRBKn unbedingt notwendig. Das vorliegende Projekt widmet sich dieser Thematik und hat die folgenden Ziele: 1) Darstellung der allgemeinen Struktur thermoakustischer Moden in RRBKn, 2) Charakterisierung und Modellierung der aeroakustischen Kopplung am Turbineneintritt, 3) Entwicklung von Werkzeugen zur Vorhersage von thermoakustischen Schwingungen in RRBKn und 4) Entwicklung und Validierung von Strategien zur Schwingungsdämpfung. Die Struktur thermoakustischer Moden in RRBK-Systemen wird durch lineare und nichtlineare Modellanalysen herausgearbeitet. Hierbei wird insbesondere auf Lokalisierungs- und Synchronisationsphänomene sowie auf den Einfluss stochastischer Effekte eingegangen. Die akustische Kopplung wird anhand eines speziell hierfür konzipierten Experimentes durch Messung der Transmissionkoeffizienten und durch detaillierte Strömungsuntersuchungen charakterisiert und modelliert. Ein generisches, nicht-reagierendes RRBK-Modellsystem mit elektro-akustischer Rückkopplung dient der Überprüfung der theoretischen Untersuchungen und der Modellierungsansätze. Im letzten Schritt werden die gewonnenen Erkenntnisse für die Entwicklung passiver Stabiliserungsstrategien genutzt, die ebenfalls im generischen Experiment überprüft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Norwegen, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Jonas Moeck; Professor Dr. Nicolas Noiray