Entropy noise in gas turbines - background and challenges - PowerPoint PPT Presentation

Entropy ¡noise ¡in ¡gas ¡turbines ¡ -­‑ ¡background ¡and ¡challenges ¡ Dr ¡Aimee ¡S. ¡Morgans ¡ KTH ¡Workshop ¡in ¡aeroacous=cs ¡in ¡confined ¡flows ¡ of ¡low ¡mach ¡number ¡ May ¡23 rd ¡2014 ¡

What ¡is ¡entropy ¡noise? ¡ Entropy ¡noise ¡is ¡one ¡(of ¡two) ¡components ¡of ¡combus=on ¡noise ¡ • Unsteady ¡combus=on ¡always ¡generates: ¡ • acoustic waves ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Acous=c ¡waves ¡-­‑ ¡these ¡propagate ¡within ¡the ¡combustor. ¡ ¡ ¡ 2 ¡ ¡of ¡60 ¡

What ¡is ¡entropy ¡noise? ¡ Entropy ¡noise ¡is ¡one ¡(of ¡two) ¡components ¡of ¡combus=on ¡noise ¡ • Unsteady ¡combus=on ¡always ¡generates: ¡ • acoustic waves ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ entropy waves • Acous=c ¡waves ¡-­‑ ¡these ¡propagate ¡within ¡the ¡combustor. ¡ ¡ ¡ • Entropy ¡waves ¡(hot/cold ¡spots) ¡-­‑ ¡these ¡are ¡“swept” ¡downstream, ¡ advec=ng ¡with ¡the ¡flow. ¡In ¡a ¡non-­‑accelera=ng ¡flow ¡they ¡are ¡“silent”. ¡ 3 ¡ ¡of ¡60 ¡

What ¡is ¡entropy ¡noise? ¡ Q: ¡If ¡entropy ¡waves ¡are ¡silent, ¡what ¡is ¡“entropy ¡noise”? ¡ • A: ¡When ¡the ¡flow ¡is ¡accelerated, ¡acous=c, ¡entropy ¡and ¡vor=city ¡waves ¡all ¡ • become ¡coupled. ¡Thus ¡by ¡accelera=ng ¡entropy ¡waves, ¡new ¡acous=c ¡waves ¡ are ¡generated. ¡ ¡ Regions ¡of ¡fluid ¡with ¡ different ¡densi=es ¡ ¡ source of direct undergo ¡different ¡ source of entropy combustion noise volume ¡contrac=ons ¡ noise ¡ ¡ mean flow Q’ ¡ 4 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡in ¡gas ¡turbines ¡ Q: ¡Are ¡entropy ¡waves ¡accelerated ¡in ¡real ¡combus=on ¡systems? ¡ • ¡ ¡ A: ¡Yes! ¡In ¡a ¡gas ¡turbine, ¡as ¡the ¡flow ¡undergoes ¡rapid ¡accelera=on ¡through ¡ • the ¡combustor ¡exit ¡and ¡first ¡turbine ¡stage. ¡This ¡means ¡that ¡the ¡entropy ¡ waves ¡generate ¡acous=c ¡waves, ¡called ¡“entropy ¡noise”, ¡or ¡“indirect ¡ combus=on ¡noise”. ¡ ¡ Stator ¡exit ¡shock ¡waves ¡from ¡Mee ¡et ¡al. ¡(1992) ¡ 5 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡in ¡gas ¡turbines ¡ Direct Acoustic combustion waves noise ¡ ¡ Unsteady heat Turbine release rate blades from flame ¡ Entropy Entropy waves noise turbine blades direct noise unsteady flame 6 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡in ¡gas ¡turbines ¡ Direct Acoustic combustion waves noise ¡ ¡ Unsteady heat Turbine release rate blades from flame ¡ Entropy Entropy waves noise turbine blades direct noise unsteady flame entropy waves (hot spots) 7 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡in ¡gas ¡turbines ¡ Direct Acoustic combustion waves noise ¡ ¡ Unsteady heat Turbine release rate blades from flame ¡ Entropy Entropy waves noise turbine blades direct noise unsteady flame entropy noise 8 ¡ ¡of ¡60 ¡ (indirect noise)

Entropy ¡noise ¡in ¡gas ¡turbines ¡ Simplified ¡movie ¡of ¡nozzle ¡response ¡to ¡impulse ¡in ¡unsteady ¡heat ¡release ¡ • rate. ¡ Note ¡the ¡different ¡=me ¡scales ¡for ¡returning ¡to ¡the ¡flame ¡of ¡the ¡“direct” ¡and ¡ • “indirect” ¡noise. ¡ ¡ ¡Combustor ¡flows ¡are ¡low ¡Mach ¡number ¡(M ¡< ¡0.2) ¡to ¡keep ¡the ¡flame ¡ ¡adached. ¡Thus ¡the ¡acous=c ¡waves ¡travel ¡at ¡M≈1, ¡entropy ¡waves ¡travel ¡ ¡at ¡flow ¡Mach ¡number ¡M ¡<< ¡1. ¡ ¡ ¡ 9 ¡ ¡of ¡60 ¡

Why ¡is ¡entropy ¡noise ¡important? ¡ Aeroengine ¡exhaust ¡noise ¡ • Combus=on ¡instability ¡ • 10 ¡ ¡of ¡60 ¡

Why ¡is ¡entropy ¡noise ¡important? ¡ Future ¡aero-­‑engine ¡noise ¡reduc=ons, ¡as ¡predicted ¡by ¡Snecma. ¡ • 11 ¡ ¡of ¡60 ¡

Why ¡is ¡entropy ¡noise ¡important? ¡ Aeroengine ¡exhaust ¡noise ¡ • Combus5on ¡instability ¡ • 12 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡research ¡ Five ¡“stages” ¡of ¡combus=on ¡noise ¡relevant ¡to ¡research: ¡ 1. ¡ Genera5on ¡of ¡entropy ¡waves ¡by ¡flame ¡ 2. ¡Advec=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡within ¡combustor ¡ 3. ¡Genera=on ¡of ¡acous=c ¡waves ¡as ¡entropy ¡waves ¡accelerated ¡ 4. ¡Passage ¡of ¡acous=c ¡waves ¡through ¡turbine ¡(including ¡subsequent ¡ accelera=on ¡of ¡entropy ¡wave) ¡ 5. ¡Effect ¡of ¡reflected ¡component ¡of ¡entropy ¡noise ¡on ¡combus=on ¡instability ¡ ¡ ¡ turbine stages ¡ ¡ combustor acoustic flame waves ¡ ¡ direct noise ¡ entropy noise entropy waves 1 13 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡research ¡ Five ¡“stages” ¡of ¡combus=on ¡noise ¡relevant ¡to ¡research: ¡ 1. ¡Genera=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡by ¡flame ¡ 2. ¡ Advec5on ¡of ¡entropy ¡waves ¡within ¡combustor ¡ 3. ¡Genera=on ¡of ¡acous=c ¡waves ¡as ¡entropy ¡waves ¡accelerated ¡ 4. ¡Passage ¡of ¡acous=c ¡waves ¡through ¡turbine ¡(including ¡subsequent ¡ accelera=on ¡of ¡entropy ¡wave) ¡ 5. ¡Effect ¡of ¡reflected ¡component ¡of ¡entropy ¡noise ¡on ¡combus=on ¡instability ¡ ¡ ¡ turbine stages ¡ ¡ combustor acoustic flame waves ¡ ¡ direct noise ¡ entropy noise entropy waves 2 14 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡research ¡ Five ¡“stages” ¡of ¡combus=on ¡noise ¡relevant ¡to ¡research: ¡ 1. ¡Genera=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡by ¡flame ¡ 2. ¡Advec=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡within ¡combustor ¡ 3. ¡ Genera5on ¡of ¡acous5c ¡waves ¡as ¡entropy ¡waves ¡accelerated ¡ 4. ¡Passage ¡of ¡acous=c ¡waves ¡through ¡turbine ¡(including ¡subsequent ¡ accelera=on ¡of ¡entropy ¡wave) ¡ 5. ¡Effect ¡of ¡reflected ¡component ¡of ¡entropy ¡noise ¡on ¡combus=on ¡instability ¡ ¡ ¡ turbine stages ¡ ¡ combustor acoustic flame waves ¡ ¡ direct noise ¡ entropy noise entropy waves 3 15 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡research ¡ Five ¡“stages” ¡of ¡combus=on ¡noise ¡relevant ¡to ¡research: ¡ 1. ¡Genera=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡by ¡flame ¡ 2. ¡Advec=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡within ¡combustor ¡ 3. ¡Genera=on ¡of ¡acous=c ¡waves ¡as ¡entropy ¡waves ¡accelerated ¡ 4. ¡ Passage ¡of ¡acous5c ¡waves ¡through ¡turbine ¡(including ¡subsequent ¡ accelera5on ¡of ¡entropy ¡wave) ¡ 5. ¡Effect ¡of ¡reflected ¡component ¡of ¡entropy ¡noise ¡on ¡combus=on ¡instability ¡ ¡ ¡ turbine stages ¡ ¡ combustor acoustic flame waves ¡ ¡ direct noise ¡ entropy noise entropy waves 4 16 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise ¡research ¡ Five ¡“stages” ¡of ¡combus=on ¡noise ¡relevant ¡to ¡research: ¡ 1. ¡Genera=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡by ¡flame ¡ 2. ¡Advec=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡within ¡combustor ¡ 3. ¡Genera=on ¡of ¡acous=c ¡waves ¡as ¡entropy ¡waves ¡accelerated ¡ 4. ¡Passage ¡of ¡acous=c ¡waves ¡through ¡turbine ¡(including ¡subsequent ¡ accelera=on ¡of ¡entropy ¡wave) ¡ 5. ¡ Effect ¡of ¡reflected ¡component ¡of ¡entropy ¡noise ¡on ¡combus5on ¡instability ¡ ¡ ¡ turbine stages ¡ ¡ combustor acoustic flame waves ¡ ¡ direct noise ¡ entropy noise entropy waves 5 17 ¡ ¡of ¡60 ¡

Entropy ¡noise: ¡history ¡ Ini=al ¡research ¡ac=vity ¡in ¡1970’s ¡ • e.g. ¡Strahle ¡(1972), ¡Hassan ¡(1974), ¡Chiu ¡& ¡Summerfield ¡(1974), ¡Marble ¡& ¡ Candel ¡(1977), ¡Cumpsty ¡& ¡Marble ¡(1977) ¡ ¡ Research ¡resurgence ¡over ¡last ¡6 ¡years ¡or ¡so. ¡ • Lean ¡premixed ¡low ¡NO X ¡combustors ¡have ¡increased ¡combus=on ¡noise ¡and ¡ propensity ¡to ¡combus=on ¡instability. ¡ 18 ¡ ¡of ¡60 ¡

Genera=on ¡of ¡entropy ¡waves ¡ turbine stages combustor acoustic flame waves direct noise entropy noise entropy waves 1 19 ¡ ¡of ¡60 ¡