Modelling and multi mode control of thermoacoustic instabilities

• Modellierung und Multimodenregelung von thermoakustischen Instabilitäten

Shariati, Sadaf; Abel, Dirk (Thesis advisor); Moeck, Jonas (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Modellierung, Simulation und Multimodenregelung von Thermoakustischen Instabilitäten in Brennkammern moderner Gasturbinen. Die Kammer wird durch einen unter der Flamme montierten Lautsprecher akustisch angeregt. Das System wird sowohl unter Cold Flow Bedingungen als auch in Gegenwart stabiler und instabiler Verbrennung identifiziert. Es wird gezeigt, dass die vorgemischte Flamme innerhalb eines bestimmten Bereiches von Brennstoff-Luft Verhältnissen instabil wird. Der resultierende Frequenzgang zeigt, dass der Helmholtz Resonator die dominierende instabile Mode der Kammer bei instabiler Verbrennung ist. Das analytische Modell wird auf Basis der eindimensionalen Navier Stokes Gleichungen entwickelt und die resultierende Wellengleichung wird mit Hilfe der nichtlinearen Flammenübertragungsfunktion behandelt. Der Lautsprecher wird experimentell identifiziert und seine Übertragungsfunktion durch einen Multi-Microphone-Ansatz gefunden. Der Hauptzweck der Modellierung der Kammer ist es, das Einsetzen der thermoakustischen Instabilitäten vorherzusagen, wenn ein Kontrollparameter wie das Äquivalenzverhältnis oder die Brennstoffzufuhr variiert wird. In dem in der vorliegenden Arbeit entwickelten analytischen Modell beeinflusst die Totzeit der Flammenübertragungsfunktion die Wechselwirkung zwischen den einfallenden akustischen Wellen und der Wärmefreisetzung und damit auch die thermoakustischen Stabilitäten. Ein Finite Elemente Modell (FEM) wird für weiterführende Stabilitätsanalysen in Comsol entwickelt und die Ergebnisse des FEM werden mit dem analytischen Modell verglichen. Der Vorteil der FEM liegt in ihrer Genauigkeit und der Einfachheit, mit der Bulk-Resonanz z.B. die Helmholtz Mode modelliert werden können. Der Lautsprecher ist ein elektromechanisches System welches mit dem Druck in der Röhre gekoppelt ist. Um dieses System zu modellieren, wird Multi Physik Modellierung erforderlich, da das System durch einen anderen Satz von Differenzialgleichungen beschrieben wird. Basierend auf dem hergeleiteten Modell niederer Ordnung, werden mehrere Ansätze der modellbasierten Regelung verglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Dualmodenregelung mit Pade Approximation als lokale Stabilisierung der robusteste Controller ist und in weiteren Betriebsbereichen funktioniert. Schließlich werden zwei verschiedene Ansätze entwickelt, um eine Rijke Röhre mit repetitiv pulsierender Plasmaentladung zu stabilisieren: Eine Dualmodenregelung und eine dynamische Matrixregelung. Die beiden Konzepte werden durch Simulationen des analytischen Modells ausgewertet und auf dem echten Prüfstand experimentell untersucht.