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.
