| Was sind selbsterregende Verbrennungsschwingungen? |
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In technischen Verbrennungs- und Antriebssystemen kann es unter bestimmten Betriebsbedingungen zur Anregung selbsterregter Verbrennungsschwingungen kommen. Diese Schwingungen, die bisweilen auch als Pulsationen oder Verbrennungsinstabilitäten bezeichnet werden, sind dadurch charakterisiert, dass es im Verbrennungssystem zur Anfachung starker Druckschwingungen bei diskreten Frequenzen kommt. Bei Anlagen mit kleiner Leistung, wie z. B. Fahrzeug- oder Hausheizungen, kommt es aufgrund dieser Druckschwingungen in erster Linie zu einer starken Lärmemission. Bei Anlagen mit größerer Leistung, wie Winderhitzern, Prozessgaserhitzern, Gasturbinen und Raketenantrieben, werden jedoch zum Teil so hohe Druckamplituden erreicht, dass die dadurch verursachte Wechselbeanspruchung der Brennkammer sowie der vor- und nachgeschalteten Anlagenteile zu einem mechanischen Versagen derselben führen kann. So wurden z. B. bei einem atmosphärischen Prozessgaserhitzer Schwingungsamplituden von 0,5 bar und in einer Raketenbrennkammer sogar 5 bar erreicht. Neben Druckschwankungen haben selbsterregte Verbrennungsschwingungen über die Schallschnelle auch stets entsprechende Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit zur Folge, was zu einem stark erhöhten Wärmeübergang an die Brennkammerwände führt. Neben der mechanischen kommt es daher auch noch zu einer erhöhten thermischen Belastung und damit zur Gefahr einer thermischen Zerstörung der Brennkammer. Oftmals ist auch eine ausreichende Stabilisierung der Flamme beim Auftreten großer Schwingungsamplituden nicht mehr gegeben, so dass es zu einem Ausblasen oder Rückschlagen der Flamme kommt. Grundsätzlich liegen einer selbsterregten Verbrennungsschwingung mehrere physikalische Mechanismen zugrunde, die unter geeigneten Bedingungen zur Resonanz führen. Damit diese Schwingung selbständig aufklingen kann, ist ein gegenseitiges "Aufschaukeln" von Schalldruck- und thermischer Leistungsschwingung erforderlich. Hierzu muss ein Rückkopplungsmechanismus vorhanden sein, der die thermische Leistungsschwingung so anregt, dass diese wiederum die Schalldruckschwingung verstärken kann. In den meisten Fällen findet die Rückkopplung durch die Akustik des jeweiligen Verbrennungssystems statt. Es wurden jedoch auch andere Mechanismen beobachtet. Beispielsweise führten Strukturschwingungen in Raketenmotoren zu einer modulierten Brennstoffzufuhr in die Brennkammer und damit zu einer Schwankung der thermischen Leistungsfreisetzung der Verbrennung. Die durch diese Leistungsschwankungen verursachten Vibrationen wiederum verstärkten die Strukturschwingungen, wodurch der Kreis geschlossen war. |