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Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Entstehungsmechanismen selbsterregter Druckschwingungen in ölbefeuerten Gasturbinenbrennkammern



Die zunehmende Umweltbelastung erfordert bei modernen Verbrennungssystemen eine Minimierung aller aus den Verbrennungsprozessen resultierenden Schadstoffe, wobei die Stickoxide vorrangige Schadstoffkomponenten darstellen, die sowohl aus Brennstoff- als auch aus Luftstickstoff bei hohen Temperaturen gebildet werden. Als Primärmaßnahme zur Minderung thermisch gebildeter NOx-Emissionen wird bei industriellen Diffusions-Verbrennungssystemen die Flammen- bzw. Rauchgastemperatur u. a. durch Wassereinspritzung in die Rezirkulationszone vermindert. Dabei wird bei manchen Feuerungen nach Überschreiten eines kritischen Wassermassenstromes bzw. eines kritischen Wassermassenstrom/Ölmassenstrom-Verhältnisses das spontane Auftreten selbsterregter Druck-/Flammenschwingungen beobachtet, welche jedoch hinsichtlich ihrer Entstehungsmechanismen nach heutigem Wissensstand nicht erklärt werden können. Solche periodischen Druck-/Flammen-Schwingungen sind durch zeitperiodische Fluktuationen des statischen Druckes in der Brennkammer sowie in vor- oder nachgeschalteten Anlagenteilen gekennzeichnet und werden durch eine phasenrichtige und betragsmäßig ausreichende Rückkopplung periodischer Störungen im Wirkungskreis Brenner-Flamme-Brennkammer unterhalten. Das Auftreten von Druckschwingungen führt zu einem gegenüber stationärem Anlagenbetrieb veränderten Schadstoff-Emissionsverhalten und verursacht eine verstärkte mechanische und thermische Beanspruchung der Brennkammerauskleidung, da diese zur Schädigung der Brennkammerauskleidung führen können, muß der Regelbereich der Anlage in häufig nicht akzeptablem Umfang eingeschränkt werden.



Aufgrund komplexer Wechselwirkung zwischen dem turbulenten Strömungs- und Mischungsfeld des Brennstoff/Luft/Wasserdampf-Gemisches und dem momentanen Reaktionsumsatz in der Flamme sind detaillierte Kenntnisse der Rückkopplungsmechanismen für die Beseitigung der Druckschwankungen unerläßlich.



Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Charakterisierung des verantwortlichen Rückkopplungsmechanismus durchgeführt werden. Dabei soll das Auftreten von Druckschwingungen in Abhängigkeit der Einflußgrößen thermische Leistung, Luftzahl, Luftvorwärmtemperatur, theoretische Drallzahl der Luftströmung, Sprühwinkel des Drall-Druckzerstäubers und eingedüster Wassermassenstrom an einem Heizöl-Drallbrennersystem unter atmosphärischen Verbrennungsbedingungen meßtechnisch erfaßt und quantifiziert werden.



Veröffentlichungen:

F. Fakhar, H. Büchner

""Experimental Investigations of Combustion-Driven Oscillations by Water Injection in

Liquid-Fired Gas-Turbine Combustors"

Proceedings of "Open Meeting on Combustion", 23rd Event of the Italian Section of the

Combustion Institute, Ischia, May 22 - 25, 2000



F. Fakhar, H. Büchner, H. Bockhorn

"Experimental Investigations of Combustion-Driven Oscillations by Water Injection in

Liquid-Fired Gas-Turbine Combustors"

Poster Presentation on the "Twenty-Eigth International Symposium on Combustion"

Edinburgh, 30th July - 4th August, 2000



F. Fakhar, H. Büchner, H. Bockhorn

"Experimentelle Untersuchungen der Entstehungsmechanismen selbsterregter Druckschwingungen bei Wassereinspritzung in Ölbefeuerten Brennkammern"

VGB-Konferenz "Forschung für die Kraftwerkstechnik" Düsseldorf, 10.-12. Oktober 2000




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