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dc.contributor.author
Fritsche, Daniel
dc.contributor.supervisor
Boulouchos, Konstantinos
dc.date.accessioned
2017-09-27T07:19:17Z
dc.date.available
2017-06-09T20:28:21Z
dc.date.available
2017-09-27T07:19:17Z
dc.date.issued
2005
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.11850/47744
dc.identifier.doi
10.3929/ethz-a-005124957
dc.description.abstract
Modern gas turbines use lean premixedcombustion to achieve the best compromise between pollutant emissions and efficiency. This type of combustion increases the flame receptivityto external perturbations thereby promoting the onset of large amplitude pressure oscillations called thermoacoustic instabilities. This phenomenon results from the resonant coupling of fluid dynamic, unsteady hcat release and acoustic properties of the combustion chambcr. In order to improve the understanding of stability properties in such complex Systems encountered in many industrial applications, the flame strueture ofan atmospheric swirl stabilized burner of 30 - 75kW was investigated as a functionoftotal massflow rate, mixture temperature, air/fuel equivalence ratio and combustion chamber length. This parametric investigation revealed the existence of several flame types aecording to air/fuel equivalence ratios, mixture temperatures and combustion chamber length. Transitions between flame states were sometimes smooth and continuous and, in some particular conditions, took place abruptly. The smooth transition coincided with isolines of the calculated Damköhler number while the sudden transition was associated with adiabatic flame temperatures. The flame types greatly influenced the pressure drops across the flame and the stability properties of the system. Unstable flames coincided with the large pressure drops measured across the flame. Moreover, acoustic measurements identified several unstable thermoacoustic modes with frequencies ranging from 200 Hz for the dominant mode, up to several kHz for the high frequency ones. The relative amplitude of the latest increased for very lean and rieh flames. Finally, acoustic measurements in the non-reacting flow for similar conditions revealed the existence of two hydrodynamic modes, which characteristic frequencies scaled with the average velocity at the burner outlet. Phase-averaged OH chemiluminescence pictures were obtained to visualize the characteristics of the flame along with thermoacoustic instabilities.The infiuence of the air/fuel equivalence ratio, the mixture temperature as well as the air mass flow rate on the flame shape, including the intensity of the reaction zone, the flame front, the position of the flame front and its movement within a period of oscillation were systematically investigated and assigned to the individual flame types. Additionally, a setup for the Planar Laser Induced Fluorescence(PLIF) diagnostic was built up enabling the correction of single-shot pictures for laser shot-to-shot intensity variations, laser sheet inhomogeneity and laser light absorption due to the investigated OH radical and the optical arrangement of the test facility. Furthermore, mediane far-infrared absorption and an acetone-PLIF technique were used in the upstream and downstream section of the combustor to determine the role of air/fuel equivalence ratio fluctuations and possible variations of the power density as a driving mechanism of thermoacoustic instabilities. The oscillations of the heat release rates were stabilized by a secondary fuel injection forced with a giant magnetostrictive actuator. Beside other elementary techniques(e.g. measurement of the mechanical transfer function), the frequency response of this high speed valve was additionally investigated with acetone-PLIF by seeding the natural gas flowing through the valve with acetone. Phase-averaged pictures of acetone were then acquired to measure the fuel flow modulation induced into the combustion chamber by the secondary injection as a function of excitation phase. Additional fuel line dynamics and delays by mixing processes (including a convective time lag) of the gas with the air as well as attenuation of the modulated gas flow were identified. The basic performance of the actuation system used to modulate the secondary fuel injection, its influence on the reaction zone and the potential of NOx-formation were elaborated. For the assessment of the functional efficiency of the secondary fuel injection strategy, all relevant flame types of the combustion system were attempted to stabilize with a simple phase-shift control algorithm. The parameter of the controller were tuned to achieve the best compromise between the overall reduction of the sound pressure level in the combustion chamber in conjunetion with maintaining the formation of nitrogen oxide (NOx) at a low level. The control strategy using the secondary fuel injection is able to reduce the sound pressure level for all investigated operating conditions, including stable and unstable flames. In particular for the most unstable flames, the controller exhibits an excellent potential to reduce pressure oscillations (maximum reduction of the average(rms) sound pressure level of-18 dB) by mainly affecting the fundamental oscillations in the combustion system (maximum reduction ofthe peak sound pressure level of-45 dB, rise of the NOx-level <1 ppmv). Moderne Gasturbinen bedienen sich der mageren Vormischverbrennung, um die besten Eigenschaften bezüglich Emissionen und Wirkungsgrad zu erhalten.Diese Art der Verbrennung steigert die Empfindlichkeit gegenüber äusseren Einflüssen und ist deshalb anfällig für starke Druckschwingungen, auch thermoakustische Instabilität genannt. Dieses Phänomen basiert auf einer resonanten Kopplung zwischen der Fluiddynamik, der Wärmefreisetzungsrate und den akustischen Eigenschaften der Brennkammer. Um das Verständnis dieser Stabilitätseigenschaften, welche in zahlreichen komplexen Industrieanwendungen auftreten, zu erhöhen, wurde die Strukturder Flamme eines atmosphärischen Drallbrenners(30 - 75kW) als Funktion des Massenstromes, der Gemischtemperatur, des Luft/Brennstoffverhältnisses und der Brennkammerlänge untersucht. Diese Parameterstudie zeigt, dass das Auftreten der verschiedenen Flammtypenwesentlichvom Luft/Brennstoffverhältnis, der Gemischtemperatur und der Brennkammerlänge bestimmt wird. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Zuständen der Flamme sind einerseits sanft, unter anderen Bedingungen jedoch sehr abrupt. Die gleichmässig stattfindende Transitionfällt mit den Isolinien der Damköhlerzahl zusammen,während die plötzlich auftretende Transitionhingegen in Beziehungmit der adiabaten Flammentemperatur steht. Die Stabilitätseigenschaften und die Druckdifferenz des Brenner werden durch die Flammentypen verschieden stark beeinflusst, wobei die instabilste Flamme die grössten Druckdifferenzen aufweist. Ausserdem konnten mit Hilfe akustischer Messungen thermoakustische Moden im Frequenzbereich von 200 Hz bis zu einigen kHz identifiziert werden. Die relative Amplitude der hochfrequenten Moden wächst mit sehr mageren und stark fetten Flammen. Zusätzlich konnte mit akustischen Messungen in der unreaktiven Strömung die Existenz zweier hydrodynamischer Moden, welche mit der mittleren Austritts-geschwindigkeit am Brenner skalieren, nachgewiesen werden. Phasengemittelte Bilder der OH-Chemilumineszenz wurden aufgenommen, um die Charakteristik der Flamme zusammen mit thermoakustischen Instabilitäten zu visualisieren. Der Einfluss des Luft/Brennstoffverhältnisses, der Gemischtemperatur, sowie des Massenstromes auf die Erscheinungsformender Flammen zusammen mit ihren unterschiedlichen Intensitäten und ihrer Auswirkungen auf die jeweilige Flammenfront mit der zugehörigen Position und Bewegung wurde systematisch untersucht und einem spezifischen Flammentyp zugeordnet. Zusätzlich wurde ein Aufbau für die planare laserinduzierte Fluoreszenzdiagnostik(PLIF) erstellt, welche die Korrektur der single-shot Bilder bezüglich variierender Laserintensität,inhomogenem Laserblatt und der Laserabsorption, die aufgrund des untersuchten OH Radikales und der optischen Einrichtung des Prüfstandes auftritt, ermöglicht. Zusätzlich wurde eine Methanabsorptions- und eine Azeton-PLIF-Technikim oberen und unteren Teil der Brennkammer angewandt, um die Rolle von Schwankungen des Luft/Brennstoffverhältnisses und allfälligen Variationender Leistungsdichteder Strömungals Ursache und treibender Mechanismus für thermoakustische Instabilitätenzu bestimmen. Die Schwankungen in der Wärmefreisetzungsrate wurden durch eine sekundäre Brennstoffeinspritzung, ausgelöst durch einen magnetorestriktiven Aktuator, stabilisiert. Neben anderen elementaren Techniken (z.B. Messungen der mechanischen Übertragungsfunktion) wurde die Frequenzantwort des hochfrequenten Ventils ebenfalls mit Azeton-PLIF untersucht. Dabei wurde die Gasströmung durch das Ventil mit Azeton versetzt und die resultierende Modulation der Strömung, induziert durch die sekundäre Einspritzung, als Funktion des Anregungsignales mit Hilfe von phasengemittelten Bildern aufgenommen. Zusätzlich konnten die Dynamik der Gasleitung, die Verzögerungen durch den Mischungsprozess der Gase (ein konvektives Zeitelement beinhaltend) und die Dämpfungdes modulierten Flusses identifiziert werden. Die grundlegenden Leistungsmerkmale des Aktuierungsystemes zusammen mit der sekundären Gaseinspritzung,deren Einfluss auf die Reaktionszone und das Potential der NOx-Bildung konnten erarbeitet werden. Für eine Einschätzung der Funktionstüchtigkeit der Zweiteinspritzung wurden alle relevanten Flammtypenmit Hilfe eines phasen-verzögernden Regelalgorithmuses stabilisiert. Die Parameter des Reglers wurden jeweils anhand eines möglichst reduzierten Geräuschpegels bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer kleinstmöglichen Bildungstendenz von Stickoxiden (NOx) eingestellt. Die Reglerstrategie zusammen mit der sekundären Gaseinspritzung vermag das Geräuschniveau für alle Betriebsbedingungen mit instabilen und stabilen Flammen zu reduzieren. Speziell für die instabilen Flammen zeigt das Stabilisierungssystem ein exzellentesPotential, um die Druckschwankungen zu reduzieren (eine maximal erreichte Reduktiondes mittleren (rms) Geräuschpegels von -18 dB), wobei hauptsächlich die Grund-schwingungen der Brennkammer beeinflusstwerden (eine maximal erreichteReduktiondes Spitzen-Geräuschpegels von -45 dB, NOx-Anstieg < 1 ppmv).
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dc.language.iso
en
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dc.publisher
ETH
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dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/page/InC-NC/1.0/
dc.subject
VERBRENNUNGSDYNAMIK (BRENNSTOFFTECHNOLOGIE)
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dc.subject
VERBRENNUNGSDRUCK + FLAMMENGESCHWINDIGKEIT + FLAMMENAUSBREITUNG (WÄRMELEHRE)
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dc.subject
GAS COMBUSTION (FUEL TECHNOLOGY)
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dc.subject
FUEL SUPPLY + CARBURETION (INTERNAL COMBUSTION ENGINES)
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dc.subject
BRENNKAMMERN (GASTURBINEN)
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dc.subject
THERMAL EXCITATION OF VIBRATIONS (ACOUSTICS)
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dc.subject
COMBUSTION CHAMBERS (GAS TURBINES)
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dc.subject
THERMISCHE SCHWINGUNGSERREGUNG (AKUSTIK)
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dc.subject
BRENNSTOFFZUFUHR + GEMISCHBILDUNG (VERBRENNUNGSMOTOREN)
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dc.subject
GASVERBRENNUNG (BRENNSTOFFTECHNOLOGIE)
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dc.subject
GASTURBINEN (VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN)
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dc.subject
COMBUSTION DYNAMICS (FUEL TECHNOLOGY)
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dc.subject
COMBUSTION PRESSURE + FLAME SPEED + FLAME PROPAGATION (THERMOPHYSICS)
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dc.subject
GAS TURBINES, COMBUSTION TURBINES (INTERNAL COMBUSTION ENGINES)
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dc.title
Origin and control of thermoacoustic instabilities in lean premixed gas turbine combustion
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dc.type
Doctoral Thesis
dc.rights.license
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
ethz.size
196 p.
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ethz.code.ddc
6 - Technology, medicine and applied sciences::620 - Engineering & allied operations
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5 - Science::530 - Physics
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16360
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005124957
ethz.publication.place
Zürich
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published
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ethz.leitzahl
ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02130 - Dep. Maschinenbau und Verfahrenstechnik / Dep. of Mechanical and Process Eng.::02627 - Institut für Energietechnik / Institute of Energy Technology::03611 - Boulouchos, Konstantinos / Boulouchos, Konstantinos
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ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02130 - Dep. Maschinenbau und Verfahrenstechnik / Dep. of Mechanical and Process Eng.::02627 - Institut für Energietechnik / Institute of Energy Technology::03611 - Boulouchos, Konstantinos / Boulouchos, Konstantinos
ethz.date.deposited
2017-06-09T20:29:25Z
ethz.source
ECOL
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ethz.identifier.importid
imp59366a950a92a58355
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Open access
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ethz.rosetta.installDate
2017-07-18T08:21:33Z
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2018-11-05T20:08:31Z
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