Wechselwirkung zwischen Strömung, Verbrennung und Brennstoff-Spray in einer Gasturbinen-Brennkammer bei periodischer Modulation des Luftstroms

Abstract

Periodische Instabilitäten in Brennkammern von Gasturbinen sind im Hinblick auf die Zuverlässigkeit bei der Anwendung moderner Magerverbrennungs-Konzepte von erheblichem Interesse. Bei Fluggasturbinen kann dabei der Einfluss der Aufbereitung des Brennstoff-Sprays eine wichtige Rolle spielen. Periodische Verbrennungs-Schwingungen können durch thermoakustische Effekte oder durch Modulation des Brennerluft-Massenstroms bei instationärem Verdichterverhalten hervorgerufen werden. Für den Spezialfall einer Luftstrom-Zerstäuberdüse wurde untersucht, wie sich eine erzwungene Modulation des Luftmassenstroms auf die instationäre Platzierung des Sprays sowie die daraus resultierende Schwankung der Wärmefreisetzung auswirkt. Dazu wurden simultan die räumliche Verteilung des Kerosin-Sprays durch planare Mie-Streuung sowie die Wärmefreisetzung durch Chemolumineszenz des OH-Radikals phasenaufgelöst untersucht. Die Versuche wurden an zwei verschiedenen Düsengeometrien für eine Vielzahl von Kombinationen der Betriebsparameter Druck, Vorheiztemperatur, Luft/Brennstoff-Verhältnis sowie Modulationsfrequenz durchgeführt. Der Einfluss dieser Parameter auf Struktur und Modulationstiefe der Brennstoff- und Wärmefreisetzungs-Verteilungen wird demonstriert. Von besonderem Interesse war dabei die Frage, ob und in welcher Form die Einbringung eines Sprays durch eine Filmleger-Düse die Impedanz des Gesamtsystems und damit sein Reaktionsverhalten auf eine extern aufgeprägte Modulation beeinflusst.