Modern gas turbines employ lean premixed combustion to reduce NOx emissions. However, flames in such combustion are prone to thermoacoustic instabilities resulting from a two-way coupling between the combustor acoustic modes and unsteady heat release. The dynamic response of flames to acoustic perturbations is quantified in terms of velocity-coupled Flame Transfer Functions (FTFs). This study was performed to measure the FTFs of a perfectly premixed natural gas flame in a gas turbine combustor subject to 1D longitudinal thermoacoustics. Measurements were done for thermal power in the range of 40-55 kW and air ratio in the range of 1.4-1.7, covering 80-640 Hz frequency spectrum. The otherwise stable swirl flame was forced to acoustic excitation through the upstream and downstream sirens. The acoustic behaviour of the burner and flame were characterised in terms of the transfer matrices determined from acoustic pressure measurements at multiple axial locations using microphones. FTFs were then evaluated using the transfer matrix of the flame. Alternatively, the heat release fluctuation was directly measured using a photomultiplier installed with an OH* chemiluminescence filter. By matching the results from the two methods, estimates for the combustor and flame temperatures were obtained. These estimates showed a similar trend as predicted by an analytical model from previous research. The procedures adopted showed good reproducibility of FTF results. Moreover, the results were found to be not influenced by the measurement locations for acoustic pressure. The variation in FTFs with thermal power and air ratio was explained using flame geometry variation evaluated by means of OH* chemiluminescence imaging. The FTF amplitude generally increased with the thermal power and air ratio, except for a decrease at high frequency with increasing air ratio. The phase plots suggested a constant convective time delay between the velocity perturbations and flame heat release fluctuation, which increased with increasing air ratio. A Proper Orthogonal Decomposition (POD) based reduced-order model of FTFs was also developed. The model offered a decomposition of the FTF sensitivity to operating parameters. Some of the resulting POD modes correlated well with the physical sensitivity mechanisms, aiding in the understanding of FTF variation with operating conditions. Moreover, the model results were used to estimate the FTF at a non-measured desired operating point simply through the interpolation of POD coefficients. The modelling results were validated against the experimental measurements and good agreement was achieved.     «

Modern gas turbines employ lean premixed combustion to reduce NOx emissions. However, flames in such combustion are prone to thermoacoustic instabilities resulting from a two-way coupling between the combustor acoustic modes and unsteady heat release. The dynamic response of flames to acoustic perturbations is quantified in terms of velocity-coupled Flame Transfer Functions (FTFs). This study was performed to measure the FTFs of a perfectly premixed natural gas flame in a gas turbine combustor s...     »

Moderne Gasturbinen verwenden eine magere vorgemischte Verbrennung, um NOx-Emissionen zu reduzieren. Flammen in einer solchen Verbrennung sind jedoch anfällig für thermoakustische Instabilitäten, die aus einer Zweiwegekopplung zwischen den akustischen Moden der Brennkammer und einer instationären Wärmefreisetzung resultieren. Die dynamische Reaktion von Flammen auf akustische Störungen wird in Form von geschwindigkeitsgekoppelten Flammenübertragungsfunktionen (FTFs) quantifiziert. Diese Studie wurde durchgeführt, um die FTFs einer perfekt vorgemischten Erdgasflamme in einer Gasturbinenbrennkammer zu messen, die einer 1D-Längsthermoakustik unterzogen wurde. Messungen wurden für thermische Leistung im Bereich von 40–55 kW und Luftzahl im Bereich von 1,4–1,7 durchgeführt, wobei das Frequenzspektrum von 80–640 Hz abgedeckt wurde. Die ansonsten stabile Drallflamme wurde durch die vor- und nachgeschalteten Sirenen zur akustischen Anregung gezwungen. Das akustische Verhalten von Brenner und Flamme wurde anhand der aus Schalldruckmessungen an mehreren axialen Stellen mit Mikrofonen ermittelten Übertragungsmatrizen charakterisiert. Die FTFs wurden dann unter Verwendung der Transfermatrix der Flamme bewertet. Alternativ wurde die Wärmefreisetzungsschwankung direkt unter Verwendung eines Photomultipliers gemessen, der mit einem OH*-Chemilumineszenzfilter installiert war. Durch Abgleichen der Ergebnisse der beiden Verfahren wurden Abschätzungen für die Brenner- und Flammentemperaturen erhalten. Diese Schätzungen zeigten einen ähnlichen Trend, wie er von einem analytischen Modell aus früheren Untersuchungen vorhergesagt wurde. Die angewandten Verfahren zeigten eine gute Reproduzierbarkeit der FTF-Ergebnisse. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Ergebnisse nicht von den Messorten für den Schalldruck beeinflusst wurden. Die Variation der FTFs mit der thermischen Leistung und dem Luftverhältnis wurde unter Verwendung der Variation der Flammengeometrie erklärt, die mittels OH*-Chemilumineszenz-Bildgebung bewertet wurde. Die FTF-Amplitude nahm im Allgemeinen mit der thermischen Leistung und dem Luftverhältnis zu, mit Ausnahme einer Abnahme bei hoher Frequenz mit zunehmendem Luftverhältnis. Die Phasendiagramme deuteten auf eine konstante konvektive Zeitverzögerung zwischen den Geschwindigkeitsstörungen und der Schwankung der Flammenwärmefreisetzung hin, die mit zunehmendem Luftverhältnis zunahm. Außerdem wurde ein Modell reduzierter Ordnung von FTFs entwickelt, das auf der Proper Orthogonal Decomposition (POD) basiert. Das Modell bot eine Zerlegung der FTF-Empfindlichkeit gegenüber Betriebsparametern. Einige der resultierenden POD-Modi korrelierten gut mit den physikalischen Empfindlichkeitsmechanismen und trugen zum Verständnis der FTF-Variation mit den Betriebsbedingungen bei. Darüber hinaus wurden die Modellergebnisse verwendet, um die FTF an einem nicht gemessenen gewünschten Arbeitspunkt einfach durch die Interpolation von POD-Koeffizienten zu schätzen. Die Modellierungsergebnisse wurden gegen die experimentellen Messungen validiert und es wurde eine gute Übereinstimmung erzielt. (Übersetzt von Google)     «

Moderne Gasturbinen verwenden eine magere vorgemischte Verbrennung, um NOx-Emissionen zu reduzieren. Flammen in einer solchen Verbrennung sind jedoch anfällig für thermoakustische Instabilitäten, die aus einer Zweiwegekopplung zwischen den akustischen Moden der Brennkammer und einer instationären Wärmefreisetzung resultieren. Die dynamische Reaktion von Flammen auf akustische Störungen wird in Form von geschwindigkeitsgekoppelten Flammenübertragungsfunktionen (FTFs) quantifiziert. Diese Studie w...     »