Experimentelle und theoretische Untersuchung der Stabilität von turbulenten vorgemischten Strahlflammen

In den vergangenen Jahrzehnten wurden drallstabilisierte Flammen aufgrund ihrer aerodynamischen Stabilisierungseigenschaften im Vergleich zu staukörperstabilisierten Flammen oder einfacher Strahlflammen häufig in Gasturbinenbrennkammern eingesetzt. Die Erweiterung des stabilen Betriebsbereichs solcher Systeme erfordert jedoch die Untersuchung alternativer Brennerkonzepte. Die vorliegende Studie untersucht eine Anordnung nicht-verdrallter Strahlflammen, im Folgenden als Matrixbrenner bezeichnet, als potenzielle alternative Konfiguration. Die Flammendynamik sowie das Strömungsverhalten dieses Matrixbrenners werden mittels einer Kombination aus numerischen Strömungssimulationen (CFD) und experimentellen Methoden analysiert. ... mehrIn dieser Konfiguration ist die Wechselwirkung zwischen benachbarten Flammen von zentraler Bedeutung für das Verständnis der zugrunde liegenden Stabilisationsmechanismen. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung der mageren Abblasegrenze sowie der Analyse des Einflusses zentraler thermodynamischer und geometrischer Parameter. Dazu werden verschiedene Düsenkonfigurationen untersucht, die sich in charakteristischen geometrischen Parametern unterscheiden. Zur präzisen Vorhersage des Abblasverhaltens unter variierenden Betriebsbedingungen wird ein CFD-Setup entwickelt und validiert. Zuletzt werden analytische Korrelationen abgeleitet, die die Abblasgrenzen mit fundamentalen Einflussgrößen verknüpfen. Die Ergebnisse tragen zum vertieften Verständnis der Stabilitätsmechanismen in Mehrstrahlbrennern bei und liefern fundierte Erkenntnisse für die Optimierung und Auslegung moderner Gasturbinenbrennkammern.

In recent decades, swirl-stabilized flames have been widely employed in gas turbine combustion systems due to their superior aerodynamic stabilization compared to bluff-body and simple jet flames. However, expanding the stable operating range of such systems requires exploring alternative burner designs. This study investigates an array of non-swirling jet flames, referred to as a matrix burner, as a potential alternative configuration. Flame dynamics and flow field behavior are examined using a combination of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental methods. ... mehrIn this configuration, the interaction between adjacent flames is crucial for understanding the underlying mechanisms of flame stabilization. The research focuses on identifying lean blowout limits and assessing the impact of key thermodynamic and geometric parameters. Several nozzle geometries, differing in selected design aspects, are evaluated. A validated CFD framework is developed to accurately predict blowout behavior under various operating conditions. Additionally, analytical correlations are formulated to relate blowout limits to influencing parameters. The results enhance the understanding of flame stability mechanisms in multijet configurations and offer practical insights for optimizing and designing modern gas turbine combustion system designs.