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 Darstellung des C1-Projektes im Internet

Einleitung / Motivation / erste Phase der TP-C1-Förderung

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Zur Minimierung der Schadstoff-Emission von Stickoxiden wurden in der letzten Jahren verschiedene Verbrennungskonzepte, wie z.B. die Mager-Vormischverbrennung, entwickelt. Aufgrund der am Brenneraustritt vorliegenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoff-Luft-Gemisches sowie der starken Abnahme der Brenngeschwindigkeit bei Mager-Vorvermischung ist bei industriellen Brennern häufig der Einsatz einer Pilotflamme zur Zündstabilisierung vorgesehen. Diese pilotierten Systeme zeigen eine höhere Schwingungsneigung als Systeme ohne Pilotierung. Schon bei isothermer Strömung können bei pilotierten Brennern Instabilitäten beobachtet werden, die durch komplexe Wechselwirkungen der mehrfach überlagerten Strömungsfelder von Pilot- und Hauptströmung verursacht werden und die durch zeitlich periodische Wärmefreisetzung bei Betrieb mit Flamme noch wesentlich verstärkt werden können. Die Untersuchung der Entstehungsmechanismen und der Strömungsfelder war Gegenstand der ersten Phase des Teilprojektes C1. Daraus konnten Konstruktionsrichtlinien abgeleitet werden, die industrielle Drallbrenner hinsichtlich ihrer Stabilität und zur Vermeidung unerwünschter Druck-/ Flammenschwingungen unterstützen.

 

Dabei wurde die isothermen Strömungsfelder eines neuentwickelten doppelkonzentrischen Drallbrenners mit veränderbarer Brennermündungsgeometrie und variablem Drall (stufenlos für die Hauptströmung, in Stufen für die Pilotströmung) hinsichtlich auftretender Instabilitäten untersucht und Modelle für isotherme, periodisch instationäre Strömungsstörungen aufgestellt.Weiterhin wurde eine Datenbasis geschaffen, mit deren Hilfe die Wechselwirkungen der periodisch instationären, isothermen Strömungsfelder im Teilprojekt A6 mit numerischen Simulationen validiert wurden.

 

Im Anschluss an die isothermen Untersuchungen wird das instationäre Verhalten der Strömung unter Verbrennungsbedingungen untersucht. Dabei werden unterschiedliche Pilotflammen (verdrallt/unverdrallt) mit einer Pulsationseinrichtung unter definierten Bedingungen (einstellbare Frequenz und Amplitude) angeregt. Ziel war es, die Wechselwirkung mit der konzentrisch überlagerten Hauptflamme hinsichtlich der Zündstabilisierung, der periodischen Verlagerung der Hauptreaktionszone sowie der Bildung kohärenter Ringwirbelstrukturen zu untersuchen. Es ist der Einfluß des periodischen Reaktionsumsatzes der Pilotflamme auf die Stabilität der Hauptflamme zu ermitteln und in Form von Flammenfrequenzgängen darzustellen. Anhand der Ergebnisse können dann die verschiedenen Formen der Pilotierung bezüglich ihrer Schwingungsneigung klassifiziert werden.

 

 

 

 

Abb1.  Periodische Strömungsstörungen im isothermen Einfach-Drallfreistrahl

            (Moveable-Block-Drallbrenner)

 

 

 

 


 

Abb.2  : Isotherme Strömungsinstabilitäten: Abhängigkeit von Durchsatz und Brennergeometrie

 

 

 

Abb.3  Isotherme Strömungsinstabilitäten: Abhängigkeit von Durchsatz und Brennergeometrie in normierter Darstellung

 

 

Stand der experimentellen Arbeiten

 

Zu Beginn der experimentellen Untersuchungen wurde die Messtechnik an einem bereits mehrfach untersuchten Moveable-Block-Drallbrenner getestet. Die Ergebnisse wurden mit vorherigen Arbeiten verglichen. Es ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung der Messungen. Das Strömungsfeld wurde in einigen ausgewählten Ebenen vermessen und die Langzeitmittelwerte sowie die RMS-Werte aller 3 Geschwindigkeitskomponenten ermittelt.

 

In Abb. 4 und 5 sind einige Ergebnisse exemplarisch dargestellt. Wie aus Abb. 4 und 5 hervorgeht, werden die Kurvenverläufe für die Axial- und Tangentialgeschwindigkeit mit zunehmendem axialen Abstand vom Brenneraustritt immer flacher. Die lokalen Maxima der Profile werden mit zunehmendem axialen Abstand vom Brenneraustritt immer niedriger bei gleichzeitiger Verbreiterung des Kurvenverlaufes und unter Abnahme der Geschwindigkeitsgradienten.

 


Erprobung der Messtechnik am Moveable-Block-Drallbrenner

Abb. 4 Profile der Axialgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Brenneraustritt für den Moveable-Block-Drallbrenner

 

 

Abb.5:  Profile der Tangentialgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Brenneraustritt für den Moveable-Block-Drallbrenner

 

 


Weiterhin wurden in zwei ausgewählten Punkten im Brennernahfeld aus den Zeitsignalen der Geschwindigkeitsschwankungen per FFT die dazugehörigen Spektren für die Geschwindigkeitskomponenten ermittelt. Der erste Messpunkt liegt direkt in der Brennerachse und der zweite Messpunkt direkt über der Aussenkante der inneren Lanze in 5mm axialem Abstand vom Brenneraustritt. Die gemessenen Spektren sind in Abb. 6 und 7 dargestellt. Das Spektrum für den ersten Messpunkt in der Brennerachse weist eine deutliche Vorzugsfrequenz bei f=160 Hz auf. Das Spektrum für den zweiten Messpunkt direkt über der Kante der inneren Lanze weist dagegen zwei klar definierte Vorzugsfrequenzen auf, die bei f1=160Hz und f2=310Hz liegen.

 

Abb.6:     Gemitteltes Leistungsdichtespektrum der isothermen Strömungsstörungen

               in der Brennerachse r/R0=0

 

Abb.7:     Gemitteltes Leistungsdichtespektrum der isothermen Strömungsstörungen

               5mm über der Aussenkante der inneren Lanze [r/R0=0,5]


Messergebnisse für den doppelkonzentrischen Drallbrenner

 

Für die Weiterführung der experimentellen Untersuchungen wurde ein doppelkonzentrischer Drallbrenner entwickelt. Der Vorteil dieser Neuentwicklung besteht darin, dass dieser Brenner beide Prinzipien der Drallerzeugung (Axialdrallerzeuger, Tangentialdrallerzeuger), eine getrennte Einstellung der Drallstärken von innerer und äußerer verdrallter Strömung sowie eine gleichsinnige oder gegensinnige Verdrallung beider Stoffströme ermöglicht. In Abbildung 8 ist das Brennerschema dargestellt.

 

 

     

Abb.8     Brennerschema für den doppelkonzentrischen Drallbrenner

               links: axiale Drallerzeugung, rechts: tangentiale Drallerzeugung

 

 

 

In Abb. 9 und 10 sind exemplarisch einige Ergebnisse für den doppelkonzentrischer Drallbrenner dargestellt. Der wesentliche Unterschied zum Moveable-Block-Drallbrenner besteht darin, dass die Strömung in eine innere und eine äußere verdrallte Strömung aufgeteilt wird. Dies ist in den Messergebnissen in der brennernahen Position (x/D=0,05) zu erkennen. In den weiter stromab liegenden Messebenen lässt sich der Aussen- und der Innenstrom nicht mehr voneinander unterscheiden. Daraus lässt sich die Konsequenz ableiten, dass die Vermischung von Aussen- und Innenstrom bereits in einem Axialabstand von einem halbem Durchmesser (x/D=0,5) abgeschlossen ist.

 


 

Abb.9: Profile der Axialgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Brenneraustritt

 

 

 

 

Abb. 10:  Profile der Tangentialgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Brenneraustritt

 

 

Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Förderphase hat sich der Gegenstand der Untersuchung in der zweiten Förderphase geändert.

 

 

 

Förderphase 2 des TP-C1: Hochfrequente Verbrennungsschwingungen in Gasturbinen-Brennkammern

 

Thema:

Während niederfrequente Verbrennungsinstabilitäten (Frequenzen < 800 Hz) seit vielen Jahren im Fokus zahlreicher Untersuchungen stehen, sind hochfrequente (HF) Verbrennungsschwingungen im Bereich 800 – 3000 Hz in der Literatur bisher nur aus Instabilitäten in Raketentriebwerken bekannt, die jedoch keinen Aufschluss über den Wirkmechanismus geben. Da in Raketentriebwerken aber Feststoff- oder Flüssigbrennstoffe verfeuert werden und hier als Rückkopplung nach dem aktuellen Stand des Wissens der Tröpfchenzerfall bzw. der Phasenübergang in die Gasphase verantwortlich gemacht wird, können Forschungsergebnisse auf aus diesem Teilbereich auf hochfrequenter Verbrennungsschwingungen in Erdgas-Vormischflammen nur schwer übertragen werden. Darum beschäftigt sich der SFB 606 in einer Neuausrichtung des TPC1 seit der 2. Phase mit diesem bisher unbekannten Phänomen.

 

Charakteristische Eigenschaften Hochfrequenter Verbrennungsschwingungen:

Die hier untersuchten HF-Verbrennungsschwingungen entstehen bei eingeschlossener Flamme in einer Brennkammer als Resonator aus einer sehr kleinen Amplitude heraus und verstärken sich über Rückkoppelung zu einem extremen Pfeifen. Dieses Pfeifen, das außerhalb der Brennkammer deutlich (bis zu 126 dB) wahrnehmbar ist, wurde in der folgenden Abbildung mittels Kondensatormikrofon in einem Abstand von 0,5 m außerhalb, am oberen Ende der Brennkammer aufgenommen. Zu erkennen ist eine scharfe Vorzugsfrequenz, die nahezu den gesamten akustischen Schalldruck in sich vereint.

 

 

 

 


Abb. 11:          Einsetzten der hochfrequenten Verbrennungsinstabilität aus einem stabilen Betriebszustand

 

 

Dabei ist eine sehr geringe Verschiebung der Luftzahl bereits ausreichend, um die ursprünglich geringe Instabilität in eine vollständig ausgebildete, hochfrequente Verbrennungsschwingung zu überführen. Im folgenden Diagramm zeigt die gefilterte UV-Strahlung des Bandes der OH*-Strahlung, dass es sich in der Tat um eine Druckschwingung mit einer Rückkopplung auf die Verbrennungsstabilität handelt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 12:          Spektrum des Photomultipliersignals

 

 

Weiterhin konnte festgestellt werden, dass diese Verbrennungsinstabilität in einem weiten Bereich von Betriebsparameter auftritt und es sich somit um kein begrenztes, vermeidbares Phänomen handelt. In umfangreichen Stabilitätsuntersuchungen konnten die im folgenden Diagramm dargestellten Grenzbetriebsbedingungen gefunden werden, die stabile Betriebsbereiche von instabilen, schwingenden Betriebszuständen trennen.

 

 

 

 


Abb. 13:          Stabilitätsdiagramm, Betriebszustände am Übergang zwischen stabilen und instabilen Betriebzuständen

 

 

Nachdem dieser Verbrennungsschwingungen auch in technischen Anlagen (Blockheizkraftwerken etc.) zunehmend auftritt und dort z.T. bereits zu zeitweisen Stilllegungen geführt hat, ist es von großem wirtschaftlichem Interesse, den zugrunde liegenden Wirkmechanismus zu klären.

 

Für weitere Details und Untersuchungen ist an dieser Stelle auf die Veröffentlichungen (Link) verwiesen, wo umfangreiche Ergebnisse innerhalb der Paper zusammengefasst sind.