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TP - A7
Vorhersage des Stabilitätsverhaltens eines Vormisch-Verbrennungssystems
project finished

Projektleiter: 
PD Dr.-Ing. Horst Büchner
Engler-Bunte-Institut/Bereich Verbrennungstechnik (EBI-VBT)
Universität Karlsruhe (TH)
Kaiserstr.12
76128 Karlsruhe
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Telefax: +49(0)721 / 661501
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Prof. Dr.-Ing. Martin Gabi
Fachgebiet Strömungsmaschinen (FSM)
Universität Karlsruhe (TH)
Kaiserstraße 12
76128 Karlsruhe
Telefon: +49(0)721/608-2350, +49(0)721/ 608-2351
Telefax: +49(0)721/608-3524
E-mail:

Dr.-Ing. Franco Magagnato
Fachgebiet Strömungsmaschinen (FSM)
Universität Karlsruhe (TH)
Kaiserstraße 12
76128 Karlsruhe
Telefon: +49(0)721/ 608-3813
Telefax: +49(0)721/ 608-35
E-mail:

  
Ergebnisse des Teilprojekts Veröffentlichungen
  

Zusammenfassung

Untersuchungen zum Resonanzverhalten einer Modellbrennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ

Für die erfolgreiche Umsetzung fortschrittlicher Verbrennungskonzepte in Turbinenbrennkammern und Industriefeuerungen ist die Vermeidung selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten eine unverzichtbare Voraussetzung. Die grundlegende Untersuchung dieser Phänomene ist daher eine wesentliche Zielsetzung des beantragten Sonderforschungsbereiches. Um die Schwingungsstabilität eines Verbrennungssystems, das im einfachsten Fall aus den Komponenten Brenner-Flamme-Brennkammer (Resonator) besteht, bereits bei der Konzeption in Abhängigkeit anwendungstechnisch relevanter Betriebsparameter (gewünschte Last- und Luftzahlregelbereiche, Brennstoffart, Gasqualitäten, Luftvorwärmung) vorhersagen zu können, ist es erforderlich, das von der Anregungsfrequenz und -amplitude sowie von den vorangenannten Betriebsparametern abhängige Übertragungsverhalten aller Komponenten im Rückkopplungskreis quantitativ beschreiben zu können. Hierzu soll in dem vorliegenden Teilprojekt A7 das frequenzabhängige Druckübertragungsverhalten einer durchströmten Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ modelliert und mit experimentell bestimmten Resonanzkurven verglichen werden. 

Um das Schwingungsverhalten der Rauchgassäule in einer realen, gedämpften Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ frequenzabhängig und für verschiedene Geometrien vorhersagen zu können, ist es erforderlich, die verschiedenen Mechanismen, die zu einer Dissipation von Schwingungsenergie und somit zu einer endlichen Begrenzung der auftretenden Druckamplituden im Resonanzfall führen, zu identifizieren und hinsichtlich ihrer Bedeutung für anwendungstechnisch relevante Brennkammerkonfigurationen zu beurteilen. Bei Kenntnis des für die jeweilige Brennkammergeometrie  maßgebenden Dämpfungsmechanismus ist es dann möglich, das integrale Dämpfungsmaß, welches den frequenzabhängigen Verlauf der Resonanzkurve maßgeblich festlegt, zu berechnen und in ein Schwingungsmodell zu integrieren. 

Zielsetzung des vorliegenden Teilprojektes A7 ist in einem ersten Schritt die experimentelle Bestimmung des integralen Dämpfungsmaßes einer Modellbrennkammer. Hierbei sollen die charakteristische, die Resonanzfrequenz und die Schwingungsdämpfung bestimmenden Abmessungen der Brennkammer sowie die Temperatur des die Brennkammer zwangserregt durchströmenden Luftmassenstromes systematisch variiert werden. Parallel hierzu werden unter Anwendung der aus der Literatur entnommenen Hypothese für den Hauptmechanismus der Schwingungsdämpfung (viskose Dämpfung in der oszillierenden Wandgrenzschicht im Resonatorhals) erste Strömungsrechnungen im Resonatorhals durchgeführt und die daraus berechneten Werte der Schwingungsdämpfung mit Ergebnissen aus den isothermen Messungen verglichen. Im Falle nicht ausreichender Übereinstimmung zwischen numerischer Simulation und Experiment bei ausschließlicher Berücksichtigung der Schwingungsdämpfung im Resonatorhals muß die Strömungsmodellierung mit der Large-Eddy-Simulation (LES) auf die gesamte Brennkammerdurchströmung ausgeweitet werden, um so Ort und Mechanismus der Schwingungsdämpfung richtig wiedergeben zu können. 

Wenn das Ziel einer hinreichend genauen Berechnung des Schwingungsverhaltens des „einfachen“  Helmholtz-Resonators mit LES erreicht wurde, so ist es das weitere Ziel des Vorhabens, das gekoppelte Schwingungsverhalten einer Brennkammer mit vor- oder  nachgeschalteten Gasvolumina (z.B. Brennergehäuse, Luftverteiler, Rauchgasführungen, etc.) zu beschreiben. Dieses Vorgehen ist erforderlich, da bereits geringe Volumina, z.B. stromauf der Brennkammer, zu erheblichen Abweichungen des gekoppelten Resonanzverhaltens gegenüber dem „einfachen“ Helmholtz-Resonator, welcher nur die Brennkammergeometrie berücksichtigt, führen. 

Das Teilprojekt A7 ist - ebenso wie Teilprojekt A6 - mit den anderen Teilprojekten im Themenbereich „Brennkammerschwingungen, Modellierung (LES, URANS), Numerik“  eng verknüpft. Gegenstand der experimentellen und numerischen Untersuchungen in Teilprojekt A7 ist das Resonanzverhalten einer Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ, während im Teilprojekt A6 das Strömungsverhalten in Brennernähe mit den dabei auftretenden Instabilitäten untersucht wird. Zu Teilprojekt A5 besteht über die Mechanismen und Modellierung von Instabilitäten enge Verbindung. Weiterhin kann ein Vergleich der Ergebnisse mit Teilprojekt B6 wertvolle methodische Hinweise liefern. 


  
Wissenschaftliche Mitarbeiter: 
Balázs Pritz
Telefon: +49(0)721/ 608-3624
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E-mail:

Christian Bender
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Telefax: +49(0)721/608-3805
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