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 f_Puls die Höhe der sich ausbildenden Druckamplitude  sowie die Resonanzfrequenz f_res 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 l_AR 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 T_RG 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 l_AR, bei welchen es möglich ist, mit dem Modell die quantitative Änderung des Dämpfungsparameters D_res zu berechnen (Abb. 7).

Abb. 6:   Abhängigkeit des Dämpfungsparameters D_res von der Fluidtemperatur T_Fluid

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 D_res von der der Abgasrohrlänge l_AR

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.

-Numerischer Teil