Einfluss der Kühllufteindüsung auf das Betriebsverhalten von Drallbrennern

In dieser Arbeit wird der bisher unzureichend geklärte Einfluss der Primärzonenkühlluft auf die Verbrennungsstabilität und Stickoxidemissionen in stationären Gasturbinen beim Betrieb nahe der mageren Löschgrenze untersucht. Da vor allem lokale Fluktuationen des Äquivalenzverhältnisses im Verdacht stehen, Auslöser für Verbrennungsinstabilitäten zu sein, werden die Mischungsvorgänge in der Flammenzone analysiert. Ein Einzelbrenner in Maschinengröße wurde sowohl im Wasserkanal als auch im atmosphärischen Verbrennungsversuchsstand experimentell untersucht. In isothermen Wasserkanalstudien wurde gezeigt, dass die Kühlluft durch großskalige instationäre Wirbelstrukturen über die Scherschichten bis in die Rezirkulationszone eingemischt wird, ohne das Hauptströmungsfeld zu beeinflussen. Der Einfluss von Injektorgeometrie und Injektionsimpuls auf das Mischungsverhalten beschränkt sich dabei auf den Nahbereich der Eindüsung. In Abhängigkeit vom mageren Äquivalenzverhältnis beeinflusst die Menge an direkt eingedüster Kühlluft signifikant die Verbrennungscharakteristiken. Mit steigender Kühlluftmenge nimmt der Anteil an Kühlluft, der effektiv an der Verbrennung teilnimmt ab und die Stickoxidemissionen steigen an. Die Scherschichten werden gequencht und ein an Brennstoff reicherer Flammenkern stabilisiert die Flamme im Zentrum. Während bei höheren Äquivalenzverhältnissen eine hohe Kühlluftmenge die akustischen Pulsationen deutlich reduziert, nimmt nahe der mageren Löschgrenze die Höhe tieffrequenter Pulsationen, unabhängig von der Kühlluftmenge, signifikant zu. Bei Annäherung an die magere Löschgrenze ändert sich das Strömungsfeld, so dass die Löschpulsationen durch die Kühlluftinjektion nicht mehr beeinflusst werden können.