Zum Einfluss transversaler akustischer Anregung auf die Dynamik turbulenter vorgemischter Drallflammen

Bei Gasturbinen mit ringförmigem Verbrennungssystem führt das Auftreten von Umfangsschwingungen zur Beeinträchtigung der thermoakustischen Stabilität und folglich des Betriebsbereiches. Um den Einfluss von Umfangsschwingungen in Vorkammern auf das dynamische Flammenverhalten zu bestimmen, wurden experimentelle Untersuchungen an einem thermoakustischen Einzelbrennerprüfstand durchgeführt. Der kreuzförmige Aufbau des Prüfstandes ermöglicht die transversale bzw. senkrecht zur Strömungsrichtung orientierte, akustische Anregung eines Drallbrenners. Diese transversale Anregung bildet das Auftreten von Umfangsschwingungen in einem Einzelbrennerprüfstand nach, wobei dem untersuchten Drallbrenner eine akustische Schnelleschwankung aufgeprägt wurde. Die experimentelle Untersuchung des Übertragungsverhaltens des radialen Drallbrenners bei transversaler Anregung hat gezeigt, dass es durch einen konvektiven Transport- bzw. Überlagerungsmechanismus zur Ausbildung einer rotierenden Strömungsschwankung in der Brennerdüse kommt. Folglich wird das Auftreten der rotierenden Strömungsschwankung von der Anregungsfrequenz und vom Massenstrom bestimmt, was experimentell und theoretisch nachgewiesen wurde. Basierend auf den Erkenntnissen zur rotierenden Strömungsschwankung wurde der qualitative und quantitative Einfluss der transversalen Anregung auf die Flammendynamik ermittelt. Der qualitative Einfluss wurde mit amplitudengewichteten Phasenbildern der Flamme dargelegt. Damit konnte eine rotierende Flammenstruktur eindeutig nachgewiesen und auf die rotierende Strömungsschwankung zurückgeführt werden. Die rotierende Flammenstruktur unterscheidet sich dabei substantiell von der symmetrischen Flammenstruktur bei axialer Anregung. Der quantitative Einfluss wurde durch die Gegenüberstellung von Flammentransferunktionen mit und ohne transversaler Anregung bestimmt. Die transversale Anregung bewirkt Änderungen des Amplituden- und Phasenverlaufes der Flammentransferfunktion, welche ebenfalls auf die rotierende Strömungsschwankung zurückgeführt wurden. Aus der ermittelten Beeinflussung des dynamischen Flammenverhaltens wurde abgeleitet, dass Umfangsschwingungen in der Vorkammer bei der thermoakustischen Stabilitätsanalyse von Ringbrennkammern berücksichtigt werden müssen, um die Zuverlässigkeit und Aussagekraft nicht zu beeinträchtigen. Diese Schlussfolgerung ist auf radiale Drallbrenner beschränkt, wie aus den Erkenntnissen dieser Arbeit hervorgeht.