Anregungsmechanismen und aktive Dämpfung (AIC) selbsterregter Verbrennungsschwingungen in Flüssigkraftstoffsystemen:
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Autor: Hermann, Jakob
Jahr: 1997
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Ing. Jakob Hermann, O be rwe i ke rts h ofe n Anregungsmechaitismen und aktive Dämpfung (AIC) selbsterregter Verbrennungsschwingungen in Flüssigkraftstoffsystemen Reihe 6: Energietechnik Nr. 364
V Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung....................................................................................................1 2. Stand der Technik - Ziele der Arbeit.........................................................3 2.1 Verschiedene Anregungsmechanismen..................................................................................4 2.1.1 Akustisch rückgekoppelte Schwingungen....................................................................4 2.1.2 Strukturbedingte Schwingungen.................................................................................5 2.1.3 Wirbelablösungen......................................................................................................5 2.2 Stabilitätsmodelle.................................................................................................................6 2.3 Möglichkeiten zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen......................................8 2.3.1 Passive Methoden......................................................................................................8 2.3.2 Aktive Methoden........................................................................................................9 2.4 Ziele der Arbeit.................................................................................................................. 12 3. Theoretische Grundlagen........................................................................14 3.1 Grundlagen der Akustik.....................................................................................................14 3.1.1 Wellengleichung....................................................................................................... 15 3.1.2 Schallreflexion bei senkrechtem Einfall.....................................................................19 3.1.3 Beschreibung einer ebenen, stehenden Welle.............................................................20 3.1.4
Einfache Berechnung der Rohrresonanzen................................................................21 3.2 Das Rayleigh-Kriterium - ein wichtiges Stabilitätskriterium für selbsterregte Verbrennungsschwingungen.....................................................................................................23 4. Versuchsaufbau........................ -26 4.1 Luft- und Kraftstoffversorgung..........................................................................................27 4.2 Versuchsbrenner................................................................................................................28 4.2.1 Auswahl der endgültigen Versuchsbrennergeometrie.................................................32 4.3 Abgasabzug mit Schalldämpfer..........................................................................................33 5. Beschreibung der verwendeten Meßtechnik, Signalverarbeitung und Meßmethoden............................... 34 5.1 Meßtechnik........................................................................................................................34 5.1.1 Messung des Schalldrucks........................................................................................34 5.1.1.1 Kondensatormikrofon..................................................................................34 5.1.1.2 Kondensatormikrofon mit Sondenrohr..........................................................36 5.1.1.3 Quarzkristall-Druckaufnehmer.....................................................................40 5.1.2 Messung der instationären Strömungsgeschwindigkeit bzw. Schallschnelle mittels Laser-Doppler-Anemometrie.........................................................................40 5.1.3 Messung der instationären thermischen Leistungsfreisetzung der Flamme..................44
VI Inhaltsverzeichnis 5.1.3.1 Photomultiplier ............................................................................................45 5.1.3.2 Bildverstärkte CCD-Kamera........................................................................47 5.1.4 Zusammenhang zwischen OH-Emission und thermischer Verbrennungsleistung........49 5.2 Signalverarbeitung.............................................................................................................52 5.2.1 Meßwerterfassung....................................................................................................52 5.2.2 Diskrete Fourier-Transformation..............................................................................54 5.2.3 Nicht-äquidistante Fourier-Transformation............................•...................................56 5.2.4 Korrelationsmeßtechnik............................................................................................58 5.2.4.1 Kreuzleistungsdichtespektrum......................................................................60 5.2.4.2 Kreuzkorrelationsfunktion............................................................................61 5.2.4.3 Kohärenzfunktion........................................................................................62 5.2.4.4 Übertragungsfunktion..................................................................................63 5.3 Meßmethoden....................................................................................................................67 5.3.1 Breitbandige Bestimmung des komplexen Reflexionsfaktors......................................67 6. Berechnung der akustischen Eigenfrequenzen des Versuchsbrenners mit Hilfe der Modalanalyse und deren meßtechnische Überprüfung...................................................................73 6.1 Grundlagen der
Modalanalyse............................................................................................73 6.2 Anwendung der Modalanalyse auf den Versuchsbrermer.....................................................76 6.2.1 Diskretisierung der Geometrie und Bestimmung der Elementdaten.............................76 6.2.2 Bestimmung der Randbedingung - breitbandige Messung des komplexen Reflexionsfaktors am Auslaß des Versuchsbrenners..................................................78 6.2.3 Ergebnis der Modalanalyse.......................................................................................82 6.3 Überprüfung der Berechnung durch Messung des angeregten, akustischen Eigenmodes (stehende Schallwelle) im Versuchsbrermer.........................................................................88 6.4 Berechnung der Schallschnelle aus den Schalldruckmessungen............................................89 7. Untersuchung der Anregungsmechanismen für die selbsterregte Verbrennungsschwingung............................................................93 7.1 Phasenbezogene Messung der verschiedenen Schwankungsgrößen der selbsterregten Verbrennungsschwingung..................................................................................................93 7.1.1 Schalldruckmessung in der Mittelachse des Versuchsbrenners...................................93 7.1.2 Untersuchung der Strömungsschwankung im Zustrom zur Flamme mittels LDA.......98 7.1.3 Visualisierung der schwingenden Flamme................................................................104 7.1.4 Darstellung der gemessenen Schwankungsgrößen bei verschiedenen Phasenwinkeln ..............................................................................................................106 7.2 Schlußfolgerungen zum grundlegenden Anregungsmechanismus der selbsterregten
Verbrennungsschwingung.................................................................................................106
Inhaltsverzeichnis VII 7.3 Bestimmung und Diskussion der für die Entstehung der Verbrennungsschwingung erforderlichen Verzugszeiten.............................................................................................113 7.4 Einfluß der Strömungsschwankung auf die Verbrennungszone...........................................116 7.4.1 Untersuchung einzelner Verbrennungszonen............................................................117 7.4.2 Untersuchung der gesamten Verbrennungszone........................................................121 7.5 Untersuchung des Kopplungsmechanismus zwischen thermischer Leistungs- und Schalldruckschwingung anhand des zweidimensionalen Rayleigh-Indexes..........................123 7.6 Passive Maßnahmen zur Vermeidung der Verbrennungsschwingung..................................125 8. Piezoaktuator für die aktive Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen..............................................................................128 8.1 Design..............................................................................................................................128 8.2 Übertragungsverhalten des Piezoaktuators.........................................................................129 8.3 Abschätzung der akustischen Resonanzfrequenz in der Rohrleitung....................................134 8.4 Optimierung der Einbaugegebenheiten und -läge für den Piezoaktuator..............................136 8.4.1 Möglichkeiten der Reflexionsoptimierung - Vermeidung von Druckschwingungen an der Kraftstoffpumpe...............................................................................141 8.4.2 Wesen der Schallfeldanregung durch den Aktuator - bevorzugte Einbaulage.............143 8.5 Auswirkungen der modulierten Brennstoffeinspritzung auf die Verbrennung.......................146 8.6 Verzugszeitverhalten der modulierten
Brennstoffeinspritzung.............................................149 9. Aktive Unterdrückung der selbsterregten Verbrennungsschwingung.............................................................................................151 9.1 Aufbau der aktiven Instabilitätskontrolle...........................................................................151 9.2 Experimente und Ergebnisse..............................................................................................152 10. Zusammenfassung.................................................................................157 Anhang A Temperaturprofile in der Brennkammer bei verschiedenen Luftzahlen........................................................................161 Anhang B Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Heizöl EL.........164 Anhang C Literaturverzeichnis....................................................................167
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