Krautkremer, Bernd (2003)
Untersuchung der Sekundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Gasturbinen-Brennkammerströmung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

„Untersuchung der Sekundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Gasturbinen-Brennkammerströmung“ Zur Einstellung, der für eine effiziente und schadstoffarme Verbrennung notwendigen Luftzahlen in Gasturbi-nen-Brennkammern muss, beim Entwurf des Flammrohres die Belochung zur Sekundärluftzufuhr ausgelegt werden. Hierzu werden üblicherweise Korrelationen verwendet, die aus Experimenten zur Strahleinblasung in eine ebene Querströmung gewonnen wurden. In moderne Gasturbinen werden jedoch zur Flammenstabilisierung Drallströmungen eingesetzt. Für einen solchen Fall verlieren die bisher verwendeten Korrelationen ihre Gültig-keit. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der Vorliegenden Arbeit aerodynamische Untersuchungen zur Se-kundärlufteinblasung in eine drallbehaftete Querströmung durchgeführt. Hierzu erfolgte eine mehrstufige Expe-rimentfolge, bei der die Komplexität des zu untersuchenden Strömungsphänomens sukzessive gesteigert wurde. Mittels eines zwischen zwei Nebenstromkanälen befindlichen Haupstromkanals wurde die Abwicklung eines Ringbrennkammersegmentes nachgebildet. Über verstellbare Drosselklappen konnten die Reynoldszahl des Hauptstroms und das Impulsverhältnis variiert werden. Neben Standardmessmethoden kamen Messtechniken zur Konzentrationsfeldmessung zum Einsatz, wobei eine Laser-Lichtschnittmesstechnik für die Belange am Misch-kammerprüfstand appliziert wurde und dort erstmalig zum Einsatz kam. Zur Nachbildung einer brennkammerty-pischen Drallströmung wurden jeweils drei gleiche Drallerzeuger in den Hauptstromkanal eingebaut. Es wurden zwei verschiedene Drallerzeugertypen verwendet, die eine wandabgehobene und eine wandanliegende Drall-strömung erzeugten. Die zum Vergleich von Drallströmungen verwendete Drallzahl wurde mittels der Erfassung des Reaktionsmomentes auf den Drallerzeuger ermittelt. Dies ermöglichte Messungen ohne Rückkopplung auf die Strömung. Die Untersuchungen gliederten sich in die Bereiche: • Einzeldrallströmung im halbunendlichen Raum • Einzeldrallströmung eingeschlossen • Mehrfachdrallströmung eingeschlossen • Einzelstrahleinblasung in eine eingeschlossene Mehrfachdrallströmung • Strahlreiheneinblasung in eine eingeschlossene Mehrfachdrallströmung Durch Visualisierung einzelner Drallströmungen im Laser-Lichtschnitt wurden die unterschiedlichen Strömungs-formen (wandanliegend, Umlenkung nach dem Austritt 180°; wandabgehoben, Öffnungswinkel 40°) der zwei verwendeten Drallerzeugertypen untersucht. Im eingeschlossenen Fall blieben die Grundformen erhalten. Die wandanliegende Strömung zeigte jedoch im Gegensatz zur wandabgehobenen eine deutliche Interaktion mit den Flammrohrwänden. Im Falle der eingeschlossenen Mehrfachdrallströmung zeigte wiederum die wandanliegende Strömungsform eine Interaktion sowohl mit der Flammrohrwand als auch mit der benachbarten Drallströmung. Dies wirkt sich auf das Eindringverhalten der Sekundärluft aus, da sich so unterschiedliche lokale Impulsstrom-dichteverhältnisse ausbilden. Mit den Versuchen der Einzelstrahleinblasung wurde der Sachverhalt verifiziert und Positionen stark unterschiedlicher Eindringtiefe identifiziert. Bei der wandabgehobenen Strömung zeigte sich die Eindringtiefe unabhängig von der Einblaseposition. Die Untersuchung der Strahlreiheneinblasung in eine eingeschlossene Mehrfachdrallströmung zeigten je nach Belochungskonfiguration eine unterschiedliche Mischungsgüte. Dabei wurde deutlich, dass die bei der Mischung mit einer ebenen Hauptströmung geltende Korrelation einer besseren Mischung mit steigender Eindringtiefe nicht mehr unbedingt gegeben ist. Vielmehr spielt beim Mischungsvorgang eines Strahles in einer komplexen Hauptströmung die Entwicklung der Strahltra-jektorie eine entscheidende Rolle, da neben der zur Verfügung stehenden Austauschfläche die lokalen Scherraten über die Güte der Mischung bestimmen. Bedingt durch die Möglichkeit des Lichtschnittverfahrens zweidimensionale Messungen in hoher zeitlicher Auf-lösung durchführen zu können wurden auch instationäre Mischungseffekte nachgewiesen. Bei beiden Drallströ-mungsformen zeigten sich zeitliche Schwankungen der lokalen Konzentrationen. Besonders deutlich wurde dieser Effekt bei der wandanliegenden Drallströmung, da hier neben lateralen Bewegungen der Sekundärluftstrahlen extreme Schwankungen der Eindringtiefe zu beobachten waren. Dieses Phänomen lässt sich dadurch begründen, dass die bei rezirkulierenden Drallströmungen immer vorhandenen Stagnationszonen ein gegen Unendlich strebendes Impulsstromdichteverhältnis bewirken. Damit verursachen schon kleine Lateralbewegungen der Drallströmung starke Veränderungen der Eindringtiefe. Untersuchungen mit einer ebenen Hauptströmung zeigten hingegen keine instationären Effekte. Die vorliegende Arbeit kann somit einen Beitrag zum besseren Verständnis der komplexen Mischungsvorgänge in einer Gasturbinenbrennkammer liefern. Es lassen sich Vorgehensweisen zum Belochungsdesign bei verschie-denen Drallströmungsformen ableiten. Weiterhin wurden Grundlagen gelegt, die dazu beitragen können aerody-namisch bedingte Instabilitäten in der Brennkammer zu vermeiden um so die Anregung gefährlicher Brennkam-merschwingungen zu unterbinden.

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