Thermoakustische Instabilitäten in Rohr-Ringbrennkammern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wenn sich eine Wärmequelle in einem Hohlraum befindet, kann es zu einer unerwünschten akustischen Rückkopplung kommen. Diese Rückkopplung kann starke Schwingungen, so genannte thermoakustische Schwingungen, verursachen. Diese Schwingungen treten bei Gasturbinen auf - bei denen die Wärme durch Flammen erzeugt wird und der Hohlraum die Brennkammer ist - und verursachen hohe Wartungskosten und erhöhte Emissionen. Die neueste Generation von Gasturbinen verfügt über Brennkammern in Form von Rohr-Ringbrennkammern. Jedes Rohr enthält eine Flamme, die im Wesentlichen isoliert verbrennt. Die Brennkammern sind jedoch nicht vollständig von den anderen getrennt, da sie alle über einen dünnen ringförmigen Abschnitt mit der Turbinenstufe der Gasturbine verbunden sind. Dieser Abschnitt sorgt für eine (schwache) Kopplung zwischen den akustischen Antworten der Rohre und kann eigenartige lineare Strukturen und nichtlineare Schwingungen erzeugen. Die aero-akustische Wechselwirkung zwischen den Spalttöpfen und ihre Auswirkungen auf die thermo-akustischen Schwingungen sind noch nicht gut verstanden und verursachen hohe Entwicklungskosten. Die Industrie investiert viel Zeit und Ressourcen, um thermoakustische Instabilitäten zu erkennen und zu kontrollieren. Das Projekt wurde durch die Notwendigkeit motiviert, die grundlegenden Ursachen für thermoakustische Instabilitäten aufgrund der akustischen Interaktion zwischen den Bechern einer Brennkammer zu verstehen. Ziel dieses Projekts war es, die wichtigsten akustischen, thermodynamischen und aerodynamischen Mechanismen zu ermitteln, die thermoakustische Instabilitäten in Rohr-Ringbrennkammern verursachen. Das Projekt war sehr erfolgreich und führte zur Veröffentlichung von 8 Zeitschriftenartikeln in hochwertigen wissenschaftlichen Magazinen und zur Präsentation der Ergebnisse auf 5 internationalen Konferenzen. Eine der Veröffentlichungen im Zusammenhang mit diesem Projekt wurde mit dem Best Paper Award auf der ASME Turbo Expo 2020 Konferenz, einer der wichtigsten internationalen Veranstaltungen in diesem Bereich, ausgezeichnet. Im Rahmen des Projekts haben wir mathematische Modelle entwickelt, die diese Schlüsselmechanismen darstellen, und wir haben sie zur Vorhersage des thermoakustischen Verhaltens von idealisierten Rohr-Ringbrennkammern verwendet. Wir haben unsere Modelle getestet, indem wir ihre Vorhersagen mit experimentellen Messungen verglichen haben. Unsere Modelle können genutzt werden, um die thermoakustischen Eigenschaften von Rohr-Ringbrennkammern zu verstehen, und sie können in Optimierungsroutinen verwendet werden, um Kontrollstrategien zu entwickeln, die in komplexen industriellen Gasturbinen eingesetzt werden können. Dies ist eine grundlegende Voraussetzung, die der Industrie helfen wird, stabile Betriebsbedingungen zu schaffen, die zu geringeren Emissionen und einem höheren Wirkungsgrad von Gasturbinen führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Non-Compact Effective Impedance Model for Can-to-Can Acoustic Communication: Analysis and Optimization of Damping Mechanisms. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 143(12).
von Saldern Jakob, G. R.; Orchini, Alessandro & Moeck, Jonas P.
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Analysis of Thermoacoustic Modes in Can-Annular Combustors Using Effective Bloch-Type Boundary Conditions. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 143(7).
von Saldern Jakob, G. R.; Orchini, Alessandro & Moeck, Jonas P.
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Modeling the nonlinear aeroacoustic response of a harmonically forced side branch aperture under turbulent grazing flow. Physical Review Fluids, 6(2).
Pedergnana, Tiemo; Bourquard, Claire; Faure-Beaulieu, Abel & Noiray, Nicolas
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Nonlinear interaction between clustered unstable thermoacoustic modes in can-annular combustors. Proceedings of the Combustion Institute, 38(4), 6145-6153.
von Saldern Jakob, G.R.; Moeck, Jonas P. & Orchini, Alessandro
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An effective impedance for modelling the aeroacoustic coupling of ducts connected via apertures. Journal of Sound and Vibration, 520, 116622.
Orchini, Alessandro
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Coupling-induced instability in a ring of thermoacoustic oscillators. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 478.
Pedergnana, T. & Noiray, N.
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Reduced-order modelling of thermoacoustic instabilities in can-annular combustors. Journal of Sound and Vibration, 526, 116808.
Orchini, Alessandro; Pedergnana, Tiemo; Buschmann, Philip E.; Moeck, Jonas P. & Noiray, Nicolas
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Steady-state statistics, emergent patterns and intermittent energy transfer in a ring of oscillators. Nonlinear Dynamics, 108(2), 1133-1163.
Pedergnana, Tiemo & Noiray, Nicolas
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Acoustics of can-annular combustors: Experimental characterisation and modelling of a lab-scale multi-can setup with adjustable geometry. Journal of Sound and Vibration, 564, 117864.
Humbert, Sylvain C. & Orchini, Alessandro
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Electro-acoustic characterization of annular and can-annular combustors
Sylvain Humbert
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Thermoacoustic oscillations in a can-annular model combustor with asymmetries in the can-to-can coupling. Proceedings of the Combustion Institute, 39(4), 5707-5715.
Buschmann, Philip E.; Worth, Nicholas A. & Moeck, Jonas P.
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Weakly nonlinear analysis of thermoacoustic oscillations in can-annular combustors. Journal of Fluid Mechanics, 980.
Orchini, Alessandro & Moeck, Jonas P.
