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Original title:
Control authority for active damping of combustion instabilities
Translated title:
Kontrollautorität für aktive Dämpfung instabiler Verbrennung
Author:
Müller, Roel
Year:
2015
Document type:
Dissertation
Faculty/School:
Fakultät für Maschinenwesen
Advisor:
Polifke, Wolfgang H. (Prof., Ph.D.)
Referee:
Polifke, Wolfgang H. (Prof., Ph.D.); Heckl, Maria A. (Prof., Ph.D.)
Language:
en
Subject group:
MTA Technische Mechanik, Technische Thermodynamik, Technische Akustik
Keywords:
thermodynamics, acoustics, combustion instability, active control
Translated keywords:
Thermodynamik, Akustik, Verbrennungsinstabilitäten, aktive Kontrolle
TUM classification:
MTA 600d; CIT 280d
Abstract:
Modern gas turbines are required to follow increasingly stringent emission regulations. Since lean-premixed combustion causes lower NOx emissions than traditional combustion (rich diffusion flames), it has become prevalent in modern combustion systems. Unfortunately, lean-premixed flames are also susceptible to combustion instabilities. These emerge when for a certain operating point there is a positive feedback loop between the acoustics of the system and fluctuations of the heat release. Unstable combustion can lead to an increase of pollutants or even structural damage. Avoiding unstable operating points restricts the operational envelope of a gas turbine.
The work described in this thesis is conducted at Ingenieurbüro für Thermoakustik GmbH – ‘IfTA’ for short – in Gröbenzell near München, Germany.
Active instability control (AIC) is a promising and flexible solution for undesired combustion oscillations. IfTA offers AIC as a commercial product. Widespread application is impeded by the unpredictability of control authority, and the lack of a framework for its assessment in practical situations. This thesis investigates control authority for active damping of combustion instabilities in experiment and simulation.
For the experimental part, two combustors are constructed and operated as thermoacoustic quarter-wave oscillators. Both combustors are run with thermal power Pth up to 50 kW and equivalence ratio Φ between a half and unity. The stability behaviour of the combustors is similar for these operating conditions, where greatest instability is found near stoichiometric operation. An AIC system developed at IfTA is applied to both combustors, by modulation of the fuel flow rate, while a pressure sensor is used for input.
This approach is effective on one combustor, dubbed the ‘Hummer’ test rig. In best cases, the amplitude of the oscillation is reduced by a factor 20. The same approach is tried, but shows ineffective on the other combustor, dubbed the ‘Limousine’ rig. The cause of this difference in control authority was not obvious from the constructional differences between the two combustors.
Translated abstract:
An moderne Gasturbinen werden immer strengere Emissionsvorschriften gestellt. Da eine magere, vorgemischte Verbrennung den NOx-Ausstoß im Vergleich zur herkömmlichen Verbrennung (fette Diffusionsflamme) verringert, ist diese in modernen Verbrennungssystemen weit verbreitet. Leider sind diese mager vorgemischten Flammen auch anfällig für Verbrennungsinstabilitäten. Diese entstehen, wenn es für einen bestimmten Betriebspunkt eine positive Rückkopplung zwischen der Akustik des Systems und den Schwankungen der Wärmefreisetzung gibt. Instabile Verbrennung kann zu erhöhten Schadstoff-Emissionen oder strukturellen Schäden führen. Das Umgehen der instabilen Betriebspunkte führt zu eine Einschränkung des Betriebsbereiches der Gasturbine.
Die in dieser Dissertation beschriebenen Arbeiten sind bei dem Ingenieurbüro für Thermoakustik GmbH – kurz „IfTA“ – in Gröbenzell bei München durchgeführt.
Active Instability Control (AIC) ist eine vielversprechende und flexible Lösung zur Vermeidung unerwünschter Verbrennungsschwingungen, die von IfTA vertrieben wird. Die Anwendung wird durch die Unvorhersehbarkeit der Kontroll-Autorität und dem Fehlen eines Ansatzes diese Autorität in praktischen Situationen modulieren zu können erschwert. In dieser Arbeit wird die Kontroll-Autorität bei der aktiven Dämpfung von Verbrennungsinstabilitäten im Experiment und anhand von Simulationen untersucht.
Für den experimentellen Teil sind zwei Brenner gebaut und als thermoakustische Viertel-Wellen-Oszillatoren betrieben. Beide Brenner werden mit thermischen Leistungen Pth bis zu 50 kW und Luftzahlen zwischen eins und zwei (1 < Λ < 2) versorgt. Das Stabilitätsverhalten und dessen Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ist für beide Brenner ähnlich. Die stärksten Instabilitäten werden in der Nähe des stöchiometrischen Betriebes gefunden. IfTA’s active instability control (AIC)-System ist an beiden Brennern angewendet, indem die Kraftstoffzufuhr moduliert wird, um den Verbrennungsprozess zu stabilisieren. Ein Drucksensor dient als Eingang für den Regler.
WWW:
https://mediatum.ub.tum.de/?id=1232537
Date of submission:
12.11.2014
Oral examination:
13.03.2015
File size:
13974780 bytes
Pages:
276
Urn (citeable URL):
https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20150313-1232537-1-8
Last change:
23.11.2015
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