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Beskrivelse
Um die kunftigen Stickoxid-Emissionsgrenzwerte zu erfullen, werden in modernen Gasturbinen Vormischflammen eingesetzt. Jedoch schranken Verbrennungsinstabilitaten den Betriebsbereich ein. Ausschlaggebend fur deren Entstehung ist das Zusammenspiel zwischen Flamme, Brennkammer, Brenner, Luft- und Brennstoffzufuhrung. In der Vergangenheit fanden vorwiegend numerische Untersuchungen dazu statt, die nur in wenigen Fallen durch Experimente validiert wurden. Zudem sind experimentelle Daten nur unzureichend vorhanden. Ziel der Arbeit ist die Aufschlusselung der an Brennkammerschwingungen von stationaren Gasturbinen beteiligten Mechanismen durch experimentelle Untersuchungen in einer bisher noch nicht vorhandenen Vollstandigkeit. Durch eine umfassende experimentelle Analyse der zeit- und phasenabhangigen Zusammenhange zwischen Druck-, Geschwindigkeits-, Temperatur- und Flammenfrontfluktuationen unter Berucksichtigung der Anlagenkomponenten sind die Wirkketten der Oszillationen unter maschinennahen Betriebsbedingungen untersucht worden. Auf Grundlage besseren Verstandnisses durch die gewonnenen Daten konnen Modelle entwickelt werden, die Instabilitaten zuverlassiger voraussagen und Abhilfemassnahmen schon wahrend der Auslegung ermoglichen. Um den Einfluss von ausschliesslich aerodynamischen Instabilitaten auf die Brennkammeroszillationen zu bewerten, wurde zunachst die nicht-reagierende Stromung untersucht. Eine rotierende spiralformige Helix, ein so genannter prazessierender Wirbelkern, konnte nachgewiesen werden, der Inhomogenitaten innerhalb des Luft-Brennstoff-Gemisches verursacht. Seine Frequenz im Auslegungspunkt stimmt mit der Resonanzfrequenz der Brennkammerschwingungen nahezu uberein, so dass dadurch die Verbrennungsinstabilitaten ausgelost werden konnten. Dieser prazessierende Wirkelkern ist in der reagierenden Stromung nicht mehr vorhanden. Dagegen konnte ein akustischer Mode als Ursache der Flammeninstabilitaten identifiziert werden. Durch Druckmessungen wurde eindeutig nachgewiesen, dass die Luftzufuhrung des Brenners, das Plenum, als Helmholtz-Resonator wirkt und dadurch Flammeninstabilitaten verursacht werden. Die Phasenverschiebung zwischen den schwingenden Gassaulen im Plenum und in der Brennkammer verursacht, dass die Stromung im dazwischen liegenden Brenner periodisch beschleunigt und verzogert wird. Bei gleichzeitig fast "chokender" Kraftstoffeinbringung entstehen dadurch fette und magere Blasen, die konvektiv in die Reaktionszone transportiert werden und dort Instabilitaten auslosen. Somit konnen die Oszillationen im Plenum als wesentliche Ursache der Brennkammerschwingungen angesehen werden. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit erstmals die Wirkketten der Verbrennungsinstabilitaten detailliert experimentell untersucht und Anregungsmechanismen vollstandig identifiziert. Die umfassenden Daten konnen zur Validierung der Berechnungsansatze von Brennkammerschwingungen sowie zur Beseitigung thermoakustischer Instabilitaten verwendet werden. Die Aufstellung eines Skalierungsgesetzes zur Prognose von Brennkammerschwingungen ist aufgrund der noch nicht vollstandig verstandenen Mechanismen zurzeit nicht moglich, so dass nur qualitative Aussagen fur geometrisch ahnliche Brenner getroffen werden konnen, wie sich anhand eines modifizierten Brennermundes belegen liess.