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Thermoakustische Instabilitäten in Rohr-Ringbrennkammern

English title Thermoacoustic oscillations in can-annular combustors
Applicant Noiray Nicolas
Number 184617
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Energietechnik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Fluid Dynamics
Start/End 01.03.2020 - 28.02.2023
Approved amount 275'518.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Fluid Dynamics
Mechanical Engineering
Technical Physics

Keywords (4)

synchronization; Thermoacoustic instabilities; can-annular combustor; dynamics mitigation

Lay Summary (French)

Lead
Lorsqu'une flamme est placée dans une cavité, une instabilité thermoacoustique peut se produire. Ces instabilités sont particulièrement problématiques dans les turbines à gaz car elles induisent de fortes vibrations qui endommagent la chambre de combustion. Les turbines de dernière génération les plus puissantes produisent plus de cinq cent mégawatts, et ont une douzaine de chambres de combustion distribuées autour du rotor de la turbine. Les chambres ne sont que partiellement isolées les unes des autres du point de vue acoustique. Les instabilités résultant d’interactions thermoacoustique entre chambres ne sont pas comprises, ce qui empêche le développement de systèmes de contrôle de ces instabilités.
Lay summary

Sujet et objectif

Notre objectif est d'identifier et de modéliser les mécanismes fondamentaux à l'origine des instabilités thermoacoustiques dans ce type de turbine à gaz. Nous développerons des modèles mathématiques pour prédire les instabilités. Nous testerons nos modèles avec des dispositifs expérimentaux, développés dans le cadre du projet pour reproduire, à petite échelle, les instabilités observées dans les turbines industrielles. Nous utiliserons nos modèles pour développer des stratégies de contrôle innovantes de ces instabilités.

 

Contexte socio-scientifique

Les fabricants de turbines investissent beaucoup pour développer de nouvelles chambres de combustion à hydrogène, donc sans émission de dioxyde de carbone. Ces futures technologies donneront aux fournisseurs d’électricité une solution au problème du stockage du surplus d’énergie renouvelables, en rendant possible la combustion propre d’hydrogène. Nos travaux permettront de modéliser et contrôler les instabilités thermoacoustiques, et donc contribuer au développement de ces nouvelles technologies.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.08.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
160579 Tomorrow's Sequential Combustion Technologies for Low Emissions and High Fuel Flexibility 01.09.2015 Assistant Professor (AP) Energy Grants

Abstract

Thermoacoustic oscillations have been a plaguing issue in the development of high-performance, low-emission combustion systems for more than half a century - and continue to do so, in particular for stationary gas turbines. This dynamic phenomenon results from an interaction of unsteady combustion and the acoustic resonances of the chamber and is strongly undesirable because it severely restricts the operating rangeof the engine. While much of the research over the last decade in this field has been devoted to annular combustors, present high-efficiency H-class gas turbines exclusively feature can-annular combustor architectures. Very little literature exists on the subject. Nonetheless, recent work performed at Ansaldo Energia Switzerland shows that industry itself has started investigating the physics of can-annular combustors.In this type of system, combustion takes place in a number of cans (typically 12 or 16), without any coupling of aerodynamics and thermodynamics between the cans. The annular turbine inlet, common to all cans, however, provides for acoustic coupling between adjacent cans. On an abstract level, the thermoacoustic dynamics of a can-annular combustor can then be characterized as a system of weakly coupled self-excited oscillators. One oscillator represents an acoustic mode of an isolated can, driven by the flame, and weak coupling is provided by the gap between two cans at the turbine inlet. This type of system features ubiquitous appearance in nature and technology and is known to exhibit peculiar linear and nonlinear phenomena, such as localization and synchronization. Although can-annular systems have been used for power generation for quite some time, the role of these phenomena in thermoacoustics is presently neither appreciated nor understood. This project therefore has the following objectives: 1) reveal the generic thermoacoustic properties of can-annular systems, 2) characterize and model the aeroacoustic coupling between two cans, 3) establish a modeling and prediction framework for thermoacoustic oscillations in can-annular combustors, and 4) develop and validate mitigation measures for unstable modes in can-annular systems.
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