Studio delle instabilità termoacustiche in un combustore di turbina a gas

Combustion instabilities are a major technical problem in most of industrial applications since they cause a performance deterioration of the combustion process. Under unstable operation the large amplitude oscillations of the flow induce many dangerous effects such as large mechanical vibrations, noise, augmented heat transfer rates at the combustor walls and increased pollutant emissions. In the gas turbines, an unstable heat release inside the combustion chamber can damage the hottest components of the combustor and reduce the life of the turbine blades. This study presents an investigation of the thermoacoustic behaviour of a single can gas turbine combustor. The combustor, originally conceived for operation with liquid and gaseous fossil fuels, was modified by the manufacturer to burn pure hydrogen or hydrogen/natural gas mixtures. Combustor design development was supported by experimental activities performed on a full-scale full-pressure test rig. A detailed procedure is proposed in this work to study the thermoacoustic instabilities in the combustor. Both hydrogen and natural gas operation are simulated by means of CFD RANS simulations carried out on a finite volume commercial code. The three-dimensional CFD analyses are performed on a coarse grid and take advantage of simplified numerical models to reduce the computation time. Due to this approach, the CFD analyses can simulate the time dependent thermoacoustic reactive flow field for a period of time large enough to capture unstable oscillation regimes, if present. Experimental measurements are used to impose the model boundary conditions and to validate the numerical results. The pressure signals recorded during the simulated period show a constant low-amplitude oscillation (a limit cycle) which does not affect the combustor performance. This behaviour agrees with the experimental data acquired during the combustion tests. The final part of this study compares the computed frequency spectra with the measured ones. The good agreement between the numerical results and the experimental values validate the potential of the low computational cost CFD approach to describe the thermoacoustic behaviour of the considered combustor.

L'instabilità di combustione peggiora le prestazioni di un combustore a flusso continuo e pertanto deve essere considerata un fenomeno indesiderato. Fluttuazioni della pressione e del rilascio termico possono infatti causare vibrazioni meccaniche, rumore, formazione di punti caldi sulle pareti della camera di combustione e incremento delle emissioni inquinanti. La combustione instabile è particolarmente dannosa nei combustori per turbina a gas nei quali ampie oscillazioni di portata e di rilascio termico possono danneggiare irreparabilmente le parti fisse e rotanti della turbina. Nel lavoro che si presenta viene studiato il comportamento termoacustico di un combustore di turbina a gas. Il combustore esaminato è del tipo tubolare, con singolo bruciatore a fiamma diffusiva ed è stato modificato dal costruttore per essere alimentato non solo a gas naturale ma anche a idrogeno. Il processo di sviluppo è stato supportato da prove di combustione su scala reale eseguite su un banco prova in grado di riprodurre le condizioni di pieno carico. L’analisi termoacustica viene condotta seguendo una procedura di indagine basata sulla simulazione numerica del fenomeno mediante un codice numerico commerciale con modelli di turbolenza di tipo RANS. Nelle analisi numeriche i modelli numerici e le griglie di calcolo sono scelti in modo da minimizzare tempi e risorse di calcolo. In questo modo è possibile simulare un intervallo temporale sufficientemente ampio da consentire al sistema di evolvere liberamente fino alle condizioni di regime per poter così valutare l’eventuale presenza di instabilità termoacustiche. Le misure raccolte durante le prove sperimentali sono impiegate nei calcoli sia per l’imposizione delle condizioni al contorno sia per la valutazione dei risultati. I segnali di pressione registrati durante le simulazioni mostrano la permanenza di oscillazioni di pressione nel combustore caratterizzate da un’ampiezza piuttosto ridotta. Queste oscillazioni sono dunque ampiamente tollerabili dal sistema (la combustione è ovunque completa e non vi sono fenomeni di estinzione di fiamma e di surriscaldamento delle pareti del combustore), in accordo con quanto osservato durante le prove sperimentali. Gli spettri calcolati al termine delle simulazioni sono comparati con gli spettri acquisiti durante le prove di combustione. Dal confronto emerge una sostanziale corrispondenza tra i modi di vibrare calcolati e quelli misurati al banco prova.