Experimentelle Charakterisierung der Instabilitäten vorgemischter Flammen in Gasturbinen-Brennkammern

Um die künftigen Stickoxid-Emissionsgrenzwerte zu erfüllen, werden in modernen Gasturbinen Vormischflammen eingesetzt. Jedoch schränken Verbrennungsinstabilitäten den Betriebsbereich ein. Ausschlaggebend für deren Entstehung ist das Zusammenspiel zwischen Flamme, Brennkammer, Brenner, Luft- und Brennstoffzuführung. In der Vergangenheit fanden vorwiegend numerische Untersuchungen dazu statt, die nur in wenigen Fällen durch Experimente validiert wurden. Zudem sind experimentelle Daten nur unzureichend vorhanden. Ziel der Arbeit ist die Aufschlüsselung der an Brennkammerschwingungen von stationären Gasturbinen beteiligten Mechanismen durch experimentelle Untersuchungen in einer bisher noch nicht vorhandenen Vollständigkeit. Durch eine umfassende experimentelle Analyse der zeit- und phasenabhängigen Zusammenhänge zwischen Druck-, Geschwindigkeits-, Temperatur- und Flammenfrontfluktuationen unter Berücksichtigung der Anlagenkomponenten sind die Wirkketten der Oszillationen unter maschinennahen Betriebsbedingungen untersucht worden. Auf Grundlage besseren Verständnisses durch die gewonnenen Daten können Modelle entwickelt werden, die Instabilitäten zuverlässiger voraussagen und Abhilfemaßnahmen schon während der Auslegung ermöglichen. Um den Einfluss von ausschließlich aerodynamischen Instabilitäten auf die Brennkammeroszillationen zu bewerten, wurde zunächst die nicht-reagierende Strömung untersucht. Eine rotierende spiralförmige Helix, ein so genannter präzessierender Wirbelkern, konnte nachgewiesen werden, der Inhomogenitäten innerhalb des Luft-Brennstoff-Gemisches verursacht. Seine Frequenz im Auslegungspunkt stimmt mit der Resonanzfrequenz der Brennkammerschwingungen nahezu überein, so dass dadurch die Verbrennungsinstabilitäten ausgelöst werden könnten. Dieser präzessierende Wirkelkern ist in der reagierenden Strömung nicht mehr vorhanden. Dagegen konnte ein akustischer Mode als Ursache der Flammeninstabilitäten identifiziert werden. Durch Druckmessungen wurde eindeutig nachgewiesen, dass die Luftzuführung des Brenners, das Plenum, als Helmholtz-Resonator wirkt und dadurch Flammeninstabilitäten verursacht werden. Die Phasenverschiebung zwischen den schwingenden Gassäulen im Plenum und in der Brennkammer verursacht, dass die Strömung im dazwischen liegenden Brenner periodisch beschleunigt und verzögert wird. Bei gleichzeitig fast „ chokender“ Kraftstoffeinbringung entstehen dadurch fette und magere Blasen, die konvektiv in die Reaktionszone transportiert werden und dort Instabilitäten auslösen. Somit können die Oszillationen im Plenum als wesentliche Ursache der Brennkammerschwingungen angesehen werden. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit erstmals die Wirkketten der Verbrennungsinstabilitäten detailliert experimentell untersucht und Anregungsmechanismen vollständig identifiziert. Die umfassenden Daten können zur Validierung der Berechnungsansätze von Brennkammerschwingungen sowie zur Beseitigung thermoakustischer Instabilitäten verwendet werden. Die Aufstellung eines Skalierungsgesetzes zur Prognose von Brennkammerschwingungen ist aufgrund der noch nicht vollständig verstandenen Mechanismen zurzeit nicht möglich, so dass nur qualitative Aussagen für geometrisch ähnliche Brenner getroffen werden können, wie sich anhand eines modifizierten Brennermundes belegen ließ.