Contact
Engler-Bunte-Ring 1
76131 Karlsruhe
Building 40.13.II
Phone: +49(0)721 608 7078
Fax: +49(0)721 661501
E-mail: Sekretariat
Engler-Bunte-Ring 1
76131 Karlsruhe
Building 40.13.II
Phone: +49(0)721 608 7078
Fax: +49(0)721 661501
E-mail: Sekretariat
... you will find on our event schedule page
Einleitung/Zielsetzung
Bei modernen Verbrennungsanlagen ist es notwendig, schon im Vorfeld der Entwicklung die mögliche Schwingungsneigung eines Systems vorherzusagen, um konstruktive Vorkehrungen zur Verhinderung von Schwingungen schon zu Beginn der Auslegungsphase treffen zu können. Deshalb ist es erforderlich, die Komponenten, deren Kopplung und gegenseitige Beeinflussung zur Entstehung und Erhaltung selbsterregter Druck-/Flammenschwingungen in technischen Feuerungssystemen im Rückkopplungskreis beschrieben werden, quantitativ zu untersuchen. Im Teilprojekt A7 liegt das Hauptaugenmerk auf der Komponente Brennkammer sowie deren Wechselwirkung mit vor- und nachgeschalteten Resonatoren.
Abb. 1: Beispiele resonanzfähiger Systeme (Quelle: LBE Feuerungstechnik, Hoval AG)
Die Brennkammer, die als
Resonator wirkt, wird hierbei von ihrer Geometrie, dem Schwingungsmodell,
welchem die Brennkammer genügt, und der Schwingungsdämpfung charakterisiert.
Durch diese Größen und weitere Parameter wie Volumenstrom und Fluidtemperatur
wird bei vorgegebener Anregungsfrequenz fPuls die Höhe der sich
ausbildenden Druckamplitude
sowie die Resonanzfrequenz fres und der Phasenwinkel
festgelegt.
Ziel des experimentellen Teils des Projekts A7 ist die Entwicklung eines physikalischen Modells zur quantitativen Beschreibung des Resonanzverhaltens von Helmholtz-Resonatoren anhand experimenteller Messungen von Resonanzkurven einer Modellbrennkammer mit variabler Geometrie. Das Modell soll den Fall realer, dämpfungsbehafteter Resonatoren beschreiben und die Parameter mittlerer Durchsatz, Anregungsamplitude und Fluidtemperatur sowie die Brennkammergeometrie (Volumen, Abgasrohrlänge) berücksichtigen.
Der numerischen Teil des Projekts A7 hat die Aufgabe, den Wert der Schwingungsdämpfung mit der Large-Eddy-Simulation der gesamten Brennkammerdurchströmung zu berechnen, sowie Ort und Mechanismus der Schwingungsdämpfung richtig wiedergeben zu können.
Anlage und Versuchsaufbau
Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wurde ein Versuchsstand mit einer hinsichtlich ihrer Geometrie variablen Modellbrennkammer aufgebaut. Die Anordnung der Hauptkomponenten Pulsationseinheit, Düse, Brennkammer und Abgasrohr sowie der Messtechnik wird in Abb. 2 verdeutlicht.
Abb. 2: Schematischer Aufbau der Versuchsanlage
Der Luftstrom tritt in
einen Pulsator ein, mit welchem eine periodische Anregung mit definierter,
einstellbarer Amplitude und Frequenz möglich ist. Der Volumenstrom strömt
durch eine Wirbelfadendüse, in deren Mitte sich ein Hitzdraht zur Messung
des momentanen Massenstromes befindet, in die Modellbrennkammer ein. Dort
wird der zeitabhängige Brennkammerdruck mit Hilfe einer Mikrofonsonde aufgenommen.
Anschließend tritt das aus der Brennkammer ausströmende Fluid in den Resonatorhals
ein, der in technischen Verbrennungssystemen das Abgasrohr darstellt. Im
Resonatorhals ist eine zweite Hitzdrahtsonde zur zeitgleichen Messung des
austretenden Massenstromes aus dem Abgasrohr positioniert. Mit dieser Versuchsanordnung
ist es möglich, die zeitabhängigen Messgrößen sowie Amplitude
und Phasenwinkel
messtechnisch zu erfassen.
Einstellbare Parameter sind die Fluidtemperatur, welche durch Lufterhitzer regelbar ist, und der mittlere Durchsatz, wodurch die Höhe der sich ausbildenden Druckamplitude bestimmt wird, sowie die Geometrie des Resonatorhalses.
Stand der Arbeiten:
-Experimenteller Teil
Im experimentellen Teil
wurde durch systematische Variation der Anregungsfrequenz der aufgeprägten
Massenstromschwankung
in die Brennkammer und durch Messung der sich einstellenden Druckamplitude
und des Phasenwinkels
die Dämpfung D einer Modellbrennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ
bestimmt.
Daraufhin wurde ein physikalisches Modell erarbeitet, das die Eigenschaften eines realen, dämpfungsbehafteten Helmholtz-Resonators in Abhängigkeit vom mittleren Durchsatz beschreibt und somit quantitative Vorhersagen des Resonanzverhaltens im gesamten interessierenden Frequenzbereich ermöglicht.
Abb. 3: Resonanzkurven für die Amplitudenverhältnisse der Massenströme bei
Variation des Volumenstromes der in die Brennkammer eintretenden
Hauptströmung
Durch systematische Variation
des mittleren Volumenstromes, der in die Brennkammer eintritt und der die
Höhe der Druckamplitude
bestimmt, der Fluidtemperatur sowie durch Veränderung der Abgasrohrlänge
lAR wurde die Dämpfung D einer Modellbrennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ
in Abhängigkeit von den oben aufgeführten Parametern und Größen bestimmt
und das Modell ergänzt. Die ermittelten, experimentellen Daten sind für die
Validierung der anschließenden numerischen Berechnungen geeignet.
In Abb. 3 sind die Resonatorhalsgeometrie und der Pulsationsgrad konstant und der mittlere Volumenstrom des in die Brennkammer einströmenden Fluids wird variiert.
In den Abb. 4 und 5 wird deutlich, dass das Modell und die Messwerte sehr gut übereinstimmen und es somit möglich ist, bei geometrisch ähnlichen Systemen und bei Kenntnis der Dämpfung die Schwingungsamplitude und den Phasenwinkel im Frequenzbereich zu berechnen.
Abb. 4: Vergleich der gemessenen und berechneten Resonanzkurven (dimensions-
lose Amplitudenverhältnisse von Massenstrom- und Druckamplitude)
Abb. 5: Vergleich der gemessenen und berechneten Resonanzkurven (Phasenwinkel
von Massenstrom und Druckamplitude)
Für unterschiedliche Fluidtemperaturen, die unterschiedliche Rauchgastemperaturen TRG in Abhängigkeit von der Luftzahl l wiedergeben, ist es mit den gewonnenen Erkenntnissen möglich, den Dämpfungsparameter vorherzusagen (siehe Abb. 6). Dasselbe gilt für unterschiedliche Abgasrohrlängen lAR, bei welchen es möglich ist, mit dem Modell die quantitative Änderung des Dämpfungsparameters Dres zu berechnen (Abb. 7).
Abb. 6: Abhängigkeit des Dämpfungsparameters Dres von der Fluidtemperatur TFluid
Somit ist es nun möglich, die Resonanzcharakteristik einer Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ im gesamten, interessierenden Frequenzbereich in Abhängigkeit des Volumenstromes, der Fluidtemperatur und der individuellen Resonatorgeometrie anhand eines Modells vorherzusagen, wofür lediglich eine einzelne Messung des Dämpfungsparameters bei einer Anregungsfrequenz und Umgebungstemperatur notwendig ist.
Abb. 7: Abhängigkeit des Dämpfungsparameters Dres von der der Abgasrohrlänge lAR
Es ist nun möglich, eine
Stabilitätsanalyse eines Verbrennungssystems, bestehend aus Brenner, Brennkammer
und Abgasrohr mit ihren jeweiligen individuellen Geometrien, unter Berücksichtigung
der veränderlichen Parameter Abgastemperatur (Luftzahl) und mittlerer Volumenstrom
(thermische Leistung) durchzuführen.