LES evaluation of the effects of equivalence ratio fluctuations on the dynamic flame response in a real gas turbine combustion chamber

Large Eddy Simulations (LES) of a lean swirl-stabilized gas turbine burner are used to analyze mechanisms triggering combustion instabilities. To separately study the effect of velocity and equivalence ratio fluctuations, two LES of the same geometry are performed: one where the burner operates in a “technically” premixed mode (methane is injected by holes in the vanes located in the diagonal passage upstream of the chamber) and the second one where the flow is fully premixed in the diagonal passage. The inlet is acoustically modulated and the mechanisms affecting the dynamic flame response are identified. LES reveals that both cases provide similar averaged (non-)pulsated flame shapes. However, even though the mean flames are only slightly modified, the delays change when mixing is not perfect. LES fields and a simple model for the methane jets trajectories show that mixing in the diagonal passage is not sufficient to damp heterogeneities induced by unsteady fuel flow rate and varying fuel jet trajectories. These mixing fluctuations are phased with velocity oscillations and modify the flame response to forcing. Local fields of delays and interaction indices are obtained, showing that the flame is not compact and is affected by fluctuations of mixing

Mechanisms affecting the dynamic response of swirled flames in gas turbines

Les réglementations toujours plus drastiques sur les émissions de polluants ont conduit au développement de systèmes de combustion opérant en régimes pauvres qui sont malheureusement sujet aux instabilités thermo acoustiques. La capacité de la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) à simuler des turbines à gaz industrielles complexes de grande puissance est mise en évidence au cours de ce travail de thèse. Tout d’abord, la SGE est appliquée à un brûleur académique et validée par comparaison à des mesures effectuées à l’Université de Berlin ainsi qu’à des simulations SGE effectuées avec OpenFOAM chez Siemens. Afin de déterminer la stabilité de ce bruleur le couplage entre l’acoustique et la combustion est modélisé par l’approche de type fonction de transfert de flamme (FTF). Suite à ces calcules et l’évaluation de la FTF les fluctuations du nombre de swirl sont identifiées comme un paramètre à même de modifier cette réponse de flamme. Après cette première étape de validation, une turbine à gaz industrielle est simulée en SGE pour deux géométries différentes du brûleur et pour deux points de fonctionnement. La FTF issue de ces calculs est peu influencée par les deux points de fonctionnement. A l’inverse, des légères modifications de la géométrie du swirler modifient les caractéristiques de la FTF montrant que plusieurs mécanismes sont en jeu. Ces mécanismes sont identifiés comme étant la vitesse d’entrée, les fluctuations de swirl et les fluctuations de fraction de mélange. Cette dernière est causée par: 1) la pulsation du débit de carburant injecté et 2) la trajectoire fluctuante des jets de carburant. Bien que le swirler soit conçu pour fournir un mélange le plus homogène possible, d’importantes hétérogénéités de mélange à l’entrée de la chambre de combustion sont présentes. Les perturbations de mélange se combinent avec les fluctuations de vitesse (et donc avec les fluctuations de swirl) aboutissant à des résultats de FTF différents. Un modèle étendu pour la FTF reliant le dégagement de chaleur à la vitesse d’entrée et à la fluctuation de fraction de mélange (modèle MISO) se révèle être une bonne solution pour ces systèmes complexes. Une analyse non linéaire montre en outre que l’amplitude de forçage conduit non seulement à une saturation de la flamme, mais aussi à un changement de la réponse de flamme. La saturation de la flamme n’est vérifiée que pour la FTF globale et le gain augmente localement avec une amplitude croissante. Pour ce système on notera enfin que la flamme linéaire, comme la flamme non linéaire, ne sont pas compactes: certaines zones pourtant situées l’une à coté de l’autre, ont des différences significatives de délai de FTF, montrant que certaines parties de la flamme amortissent l’excitation alors que d’autres l’amplifient. ABSTRACT : Modern pollutant regulation have led to a trend towards lean combustion systems which are prone to thermo-acoustic instabilities. The ability of Large Eddy Simulation (LES) to handle complex industrial heavy-duty gas turbines is evidenced during this thesis work. First, LES is applied to an academic single burner in order to validate the modeling against measurements performed at TU Berlin and against OpenFoam LES simulations done at Siemens. The coupling between acoustic and combustion is modeled with the Flame Transfer Function (FTF) approach and swirl number fluctuations are identified changing the FTF amplitude response of the flame. Then, an industrial gas turbine is analyzed for two different burner geometries and operating conditions. The FTF is only slightly influenced for the two operating points but slight modifications of the swirler geometry do modify the characteristics of the FTF showing that a simple model taking only into account the flight time is not appropriate and additional mechanisms are at play. Those mechanisms are identified being the inlet velocity, the swirl and the inlet mixture fraction fluctuations. The latter is caused by two mechanisms: 1) the pulsating injected fuel flow rate and 2) the fluctuating trajectory of the fuel jets. Although the diagonal swirler is designed to provide good mixing, effects of mixing heterogeneities at the combustion chamber inlet occur. Mixture perturbations phase with velocity (and hence with swirl) fluctuations and combine with them to lead to different FTF results. Another FTF approach linking heat release to inlet velocity and mixture fraction fluctuation (MISO model) shows further to be a good solution for complex systems. A nonlinear analysis shows that the forcing amplitude not only leads to a saturation of the flame but also to changes of the delay response. Flame saturation is only true for the global FTF and the gain increases locally with increasing forcing amplitude. Both, the linear and the nonlinear flames, are not compact: flame regions located right next to each other exhibited significant differences in delay meaning that at the same instant certain parts of the flame damp the excitation while others feed it

Bistable swirled flames and influence on flame transfer functions

Large Eddy Simulations (LES) are used to study a lean swirl-stabilized gas turbine burner where the flow exhibits two stable states. In the first one, the flame is attached to the central bluff body upstream of the central recirculation zone which contains burnt gases. In the second one the flame is detached from the central bluff body downecirculation zone which is filled by cold unburnt gases and dominated by a strong Precessing Vortex Core (PVC). The existence of these two states has an important effect on the dynamic response of the flame (FTF): both gain and phase of the FTF change significantly in the detached case compared to the attached one, suggesting that the stability of the machine to thermoacoustic oscillations will differ, depending on the flame state. Bifurcation diagrams show that the detached flame cannot be brought back to an attached position with an increased fuel flow rate, but it can be re-attached by forcing it at high amplitudes. The attached flame however, behaves inversely: it can be brought back to the detached position by both decreasing or increasing the pilot mass flow rate, but it remains attached at all forcing amplitudes