Impedance Tuning: A Method for Active Control of the Acoustic Boundary Conditions of Combustion Test Rigs (2009)

Eine der größten Herausforderungen für die Entwicklung zukünftiger schadstoffarmer Gasturbinenkraftwerke ist die Gewährleistung eines stabilen Verbrennungsprozesses. Um die immer strikter werdenden Emissionsrichtlinien, vor allem hinsichtlich NOx, zu erfüllen, führte die Gasturbinenindustrie die Mager-Vormisch-Verbrennung ein. Zwar kann so den Regierungsvorgaben entsprochen werden, jedoch ist diese Art der Verbrennung anfälliger für das Auftreten selbsterregter Verbrennungsschwingungen. Diese thermoakustisch induzierten Instabilitäten resultieren aus einer Kopplung des akustischen Feldes in der Brennkammer mit Schwankungen in der Wärmefreisetzung. Wenn die Phasenbeziehung zwischen den beiden Mechanismen derart ist, dass sie konstruktiv miteinander interferieren, entstehen Wärmefreisetzungs- und Druckfluktuationen, die hohe Amplituden erreichen und damit den Verbrennungsprozess nachteilig beeinflussen können. Thermoakustische Instabilitäten erhöhen die mechanische Bauteilbelastung sowie die Schadstoff- und Geräuschemissionen und können im schlimmsten Fall sogar zur Zerstörung der Maschine führen. Innerhalb des Entwicklungsprozesses neuer Gasturbinen kommt der Entwicklung des Brenners eine immens wichtige Rolle zu, da er die Maschinenkomponente ist, die den größten Einfluss auf die Stabilität der Verbrennung hat. Da es bei weitem zu aufwendig und kostenintensiv wäre, die Eigenschaften neuer Brenner in jeder Entwicklungsphase in der Gasturbine zu testen, werden stattdessen Versuche an Brennerprüfständen durchgeführt. Mit Hilfe dieser Versuche, numerischer Berechnungsmethoden sowie niederdimensionaler Netzwerkanalysen wird versucht, das Verhalten des Brenners in der Gasturbine vorherzusagen. Da das thermoakustische Verhalten sehr stark von den akustischen Randbedingungen der jeweiligen Brennkammer abhängt, ist es nahe liegend, dass die Randbedingungen im Prüfstand jenen in der Gasturbine entsprechen oder ihnen zumindest nahe kommen sollten. Dies ist üblicherweise jedoch nicht der Fall. Deshalb ist es möglich, dass der Verbrennungsprozess im Prüfstand bei bestimmten Betriebsbedingungen stabil ist, in der Gasturbine bei gleichen Bedingungen hingegen Instabilitäten aufweist. Aus diesem Grund wird in dieser Dissertation die Entwicklung einer neuen Versuchsmethodik vorgestellt, die, basierend auf einem aktiven Regelalgorithmus, in der Lage ist, die akustischen Randbedingungen von Brennerprüfstanden so zu beeinflussen, dass sie mit denen in der Gasturbine übereinstimmen. Um das Eingangssignal für den Regler zu erhalten, wird das ebene akustische Feld im System gemessen und instantan, d.h. im Zeitbereich, in stromab- und stromaufwärts laufende Wellen zerlegt. Ein modellbasierter Regler generiert daraus das Steuersignal für einen akustischen Aktuator, der das akustische Feld in vorgeschriebener Art und Weise manipuliert. Dadurch ist es möglich, die akustischen Randbedingungen in einem breiten Frequenzintervall stufenlos zwischen reflektionsfrei und vollständig reflektierend einzustellen. Mit Hilfe des Regelkonzepts werden die Randbedingungen eines atmosphärischen Brennerprüfstands, der mit einem drall-stabilisierten Brenner ausgerüstet ist, gezielt für die kalte als auch die reagierende Strömung verändert. So wird beispielsweise die Länge des Prüfstands virtuell, d.h. ohne Änderung der Prüfstandsgeometrie, modifiziert, mit dem Resultat, dass die Resonanzfrequenzen des geregelten Systems sich von denen des ungeregelten unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die akustische Randbedingung derart einzustellen, dass sie der einer kritisch durchströmten Düse entspricht, ohne dass der vorherrschende Strömungszustand tatsächlich kritisch ist. Somit ist zum ersten Mal überhaupt der experimentelle Nachweis dafür erbracht, dass die Randbedingungen eines Einzelbrennerprüfstands aktiv an die der Gasturbine angepasst werden können. Zunächst werden Lautsprecher als akustische Aktuatoren verwendet, um das Konzept experimentell zu validieren und seine Leistungsfähigkeit zu bewerten. Hervorragende Ergebnisse, die Möglichkeit eines Einsatzes in breiten Frequenzbereichen und die bequeme Handhabung qualifizieren Lautsprecher für Versuche unter Laborbedingungen sowie zur Validierung und Optimierung des Regelkonzeptes. Eines der Hauptziele dieser Dissertation ist es jedoch, eine profunde Basis dafür zu legen, dass die Versuchsmethodik zu einem Standardwerkzeug in der industriellen Brennerentwicklung werden kann. Da Lautsprecher für den Einsatz in Industrieprüfständen nicht robust genug sind und ihre akustische Leistung nicht ausreichend ist, werden zusätzlich andere Aktuatoren untersucht. Mit zwei dieser Aktuatorkonzepte ist es möglich, ähnlich gute Resultate wie mit den Lautsprechern zu erzielen. Beiden liegt dasselbe Prinzip zu Grunde: Durch die Modulation eines Luftmassenstroms wird eine akustische Anregung erzeugt. Um den voneinander abweichenden Übertragungscharakteristiken der Aktuatoren Rechnung zu tragen, kommen unterschiedliche Regelalgorithmen zum Einsatz. Außer zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses neuer Brenner, kann das Regelkonzept auch in anderen Bereichen angewendet werden. Durch die gezielte Regelung der akustischen Randbedingungen von Verbrennungssystemen ist es möglich, den thermoakustischen Kopplungsmechanismus zu unterbrechen und so Verbrennungsinstabilitäten zu unterdrücken. Die gezielte Transition von instabiler zu stabiler Verbrennung (und umgekehrt) ermöglicht es zudem, die Vorhersagequalität akustischer Netzwerkmodelle anhand experimenteller Daten zu bewerten. Die Vorhersagen der Netzwerksimulationen werden hinsichtlich der linearen Anfachungsrate, des Übergangs von Stabilität zu Instabilität sowie der Frequenz der Mode mit der geringsten Stabilität untersucht.