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Was ist der Unterschied einer aktiven Instabilitätskontrolle zur passiven Methode?
Mit Ausnahme weniger Spezialanwendungen (beispielsweise sogenannte Pulse-Combustors) stellen Verbrennungsschwingungen ein unerwünschtes Phänomen dar, das Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit eines Verbrennungssystems nachteilig beeinflusst. Es besteht daher ein reges Interesse, solche Instabilitäten zu vermeiden oder - falls bereits Schwingungsprobleme auftraten - diese zu unterdrücken oder auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Die Maßnahmen, die hierbei zur Anwendung kommen, lassen sich in zwei prinzipielle Gruppen unterteilen: die passiven und aktiven Methoden.
Passive Methoden
Generell werden hierunter Systeme verstanden, die keine "Intelligenz" im Sinne einer Regelung besitzen, das heißt, deren Einfluss auf die Schwingungen im Verbrennungssystem nicht gezielt durch eine bestimmte Systemgröße beeinflusst und gesteuert wird. Noch einfacher lassen sich passive Methoden dadurch kennzeichnen, dass sie keinen Energieaufwand von außen erfordern.
Einige Beispiele für passive Methoden mit stichpunktartigen Angaben zu deren Wirkprinzip sowie Vor- und Nachteilen sind im Folgenden angegeben:
- Dämpfungselemente und Schalldämpfer: akustische Energie wird in Wärme dissipiert. Verhindern die Schwingungen nicht, können aber die auftretenden Schalldruckamplituden reduzieren. Kostengünstige Standardbauteile, aber oft sperrig und mit zusätzlichen Druckverlusten verbunden.
- Helmholtz- und Lambda/4-Resonatoren: wirken störend auf das Resonanzschallfeld der Verbrennungsschwingung, wodurch sich dieses nicht mehr richtig ausbilden kann. Wirksamkeit auf bestimmte Frequenzen beschränkt, für niedrige Frequenzen sehr große Abmessungen.
- "Baffles": behindern die Schallausbreitung (z.B. in der Brennkammer) und damit die Ausbildung des Resonanzschallfeldes. Einfache Bauweise aber abbrandgefährdet und oft nachteilig für die Verbrennung selbst; zusätzliche Druckverluste.
- "Verstimmung" des Systems: durch geometrische Veränderungen werden die Eigenfrequenzen des Verbrennungssystems verändert. Ohne nennenswerte Nachteile für Verbrennungsführung und Wirkungsgrad aber konstruktiv meist sehr kostspielig und aufwendig. Wirksamkeit zudem oft auf einzelne Frequenzen beschränkt, daher besteht die Gefahr, dass die Schwingungen nur ihre Frequenz ändern.
- Brennermodifikation: Kleinere Düsen, andere Flammenhalter und unterschiedliche Positionen der Brennstoffeinspritzung
Vor allem wegen des eingeschränkten Wirksamkeitsbereiches und der angegebenen Nachteile passiver Methoden stellen die aktiven Methoden speziell für Systeme, die unter sehr veränderlichen Betriebsbedingungen arbeiten, eine interessante Alternative dar.
Aktive Methoden
Bei der aktiven Unterdrückung selbsterregter Verbrennungsschwingungen o wird der Zustand des Systems von einer Sensorik erfasst und einer Regelung zugeleitet, die - je nach Eingangssignal - über einen Aktuator in das Systemverhalten eingreift, so dass keine Schwingungen mehr entstehen. Ein einfaches Beispiel könnte so aussehen: Ein Drucksensor im Verbrennungssystem erfasst auftretende Druckschwankungen, aus denen die Regelungslogik ein Ansteuersignal für einen Lautsprecher ermittelt. Entsprechend diesem Ansteuersignal erzeugt der Lautsprecher ein Antischallfeld, das sich mit dem Schallfeld im System überlagert und dieses auslöscht.
Leider stellt sich die aktive Unterdrückung in der Praxis nicht ganz so einfach dar. Verschiedenste Gesichtspunkte müssen beachtet werden und der Anregungsmechanismus, der den selbsterregten Verbrennungsschwingungen zugrunde liegt, muss sorgfältig untersucht werden, bevor über eine geeignete Strategie entschieden werden kann. Auswahl der Sensoren und Stellglieder hängen, ebenso wie die richtige Reglerstruktur, entscheidend vom betroffenen Verbrennungssystem (Leistung, Brennstoff, Geometrie), den auftretenden Frequenzen und den dabei vorliegenden Schallfeldern ab. Der mit der aktiven Instabilitätskontrolle verbundene Mehraufwand rechtfertigt sich jedoch durch die damit verbundenen Vorteile:
- Geringe konstruktive Eingriffe in das Verbrennungssystem, wenig Platzaufwand. Nachträgliche Implementierung relativ einfach möglich.
- Verbrennungsleistung und Verbrennungsführung werden nicht nachteilig beeinflusst; keine zusätzlichen Verluste.
- Schadstoffausstoß und nicht vollständig verbrannte Anteile werden teilweise sogar verringert.
- Die echte Regelung kann flexibel auf das tatsächliche Systemverhalten und auf dessen Veränderungen reagieren. Ein Eingriff erfolgt nur, wenn und solange er notwendig ist.
- Nach erfolgter Stabilisierung kommt es zu einer Absenkung des zurückgesteuerten Stellsignals und damit zu einer Reduzierung der Leistungsaufnahme am Stellglied sowie einer Verlängerung der Stellglied-Lebensdauer.
Das IFTA AIC System bietet hier eine bewährte Lösung.
Was sind die Ursachen für akustische Rückkopplungen
Die akustische Rückkopplung ist durch Eigenfrequenzen und Eigenmoden charakterisiert. Bei den meisten selbsterregten Verbrennungsinstabilitäten ist der Rückkopplungsmechanismus akustischer Natur. Deshalb ist es zum Verständnis der Ursachen, die zum Auftreten selbsterregter Verbrennungsschwingungen führen, sehr wichtig, dass man als erstes die akustischen Gegebenheiten des Verbrennungssystems näher betrachtet. Hierbei interessieren in erster Linie die möglichen akustischen Resonanzfrequenzen (Eigenfrequenzen) sowie die zugehörigen Eigenmoden von Schalldruck- und Schallschnelle. Als Eigenmoden werden hier die im Resonanzfall vorliegenden stehenden Wellen von Schalldruck und Schallschnelle verstanden.
Die folgende Abbildung zeigt am Beispiel eines einfachen Rohres, das am linken Ende geschlossen und am rechten Ende offen ist, die zur 1., 2. und 3. harmonischen korrespondierenden Eigenmoden des Schalldrucks in longitudinaler Richtung. Die Abschlussbedingungen sind hierbei idealisiert als schallhart für das linke und als schallweich für das rechte Ende angenommen.
Gegenüber diesem einfachen Beispiel sehen die Eigenmoden in einem realen Verbrennungssystem aufgrund von Querschnittsänderungen, der Beeinflussung durch die Strömung, der Temperaturänderung in der Verbrennungszone und der komplexeren Randbedingungen an den Zu- und Abluftöffnungen des Systems komplizierter aus.
Verbrennungsschwingungen: Rumpeln, Brummen, Pfeifen und Pulsation
Zur Reduzierung der Emissionen in modernen Verbrennungssystemen favorisiert man Vormischflammen, da diese aufgrund der niedrigen Flammentemperatur niedrige NOx-Emissionen aufweisen. Unglücklicherweise kommt es bei diesem Verbrennungstypus in Verbindung mit der Akustik des Feuerungsraumes sehr schnell zur Entstehung von sogenannten selbsterregten Verbrennungsschwingungen. Diese werden oft auch als Verbrennungsinstabilitäten, thermoakustische Schwingungen oder entsprechend den hörbaren Frequenzen als Rumpeln, Brummen, Pfeifen oder Pulsation bezeichnet.
Den Schwingungen liegt zugrunde, dass es im Brennraum zur Anregung starker Druckschwankungen bei einer oder mehrerer Frequenzen kommt. Die Druckschwankungen können dabei derart hohe Amplituden erreichen, dass es zu einer Zerstörung des Verbrennungssystems selbst oder der vor- und nachgeschalteten Bauelemente kommt. Beobachten kann man diese Schwingungen in Hausheizungen über Großfeuerungen bis hin zu stationären Gasturbinen oder Raketenantrieben.
Der IFTA PreCursor ist eine Methode zur frühzeitigen Erkennung von Verbrennungsschwingungen - noch bevor hohe Amplituden auftreten und zu Beschädigungen führen können.
Wie funktioniert die experimentelle Modalanalyse?
Aufgrund der großen Schwankungen der Schallfeldgrößen in Systemen mit selbsterregten Verbrennungsschwingungen führt eine einfache Bestimmung der Eigenmoden durch Messung der örtlichen Amplituden und Phasen zu keinen verwertbaren Ergebnissen.
Aus diesem Grund wurde ein spezielles Auswerteverfahren, basierend auf der Korrelationsmesstechnik entwickelt. Vereinfacht ausgedrückt wird hierzu ein Mikrofon an einem Referenzpunkt platziert und mit einem zweiten Mikrofon die Amplituden- und Phasenbeziehung im Frequenzbereich bestimmt. Durch dieses Auswerteverfahren und einer zusätzlichen Mittelung im Frequenzbereich werden die notwendigen Erkenntnisse erzielt.
Wie funktioniert eine numerische Modalanalyse?
Für die Modalanalyse wird die zu analysierende Geometrie durch Zylinder- und Kegelelemente diskretisiert, die eine beliebig genaue Modellierung des tatsächlichen Querschnittsverlaufes erlauben. In diese Diskretisierung fließt umfangreiches experimentelles Know-How ein, da sich die Aufteilung des Berechnungsgebietes entscheidend auf die Qualität des Berechnungsergebnisses auswirkt. Die diskretisierte Geometrie stellt zusammen mit den weiteren in die Berechnung einfließenden Größen Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und den akustischen Randbedingungen die Datenbasis für einen speziellen Programmcode dar. Dabei sind beliebige akustische Randbedingungen, also auch frequenzabhängige, erlaubt. Für den Fall, dass sich komplizierte Geometrieabschlüsse nicht durch theoretische Ansätze für die Randbedingung beschreiben lassen, bieten wir zudem eine experimentelle Untersuchung der Randbedingungen nach der n-Mikrofonmethode an.
Das verwendete Programm ist eine Eigenentwicklung der IFTA GmbH und wird laufend erweitert. Individuelle Anpassungen an die speziellen Bedürfnisse des Kunden sind jederzeit möglich. Es ermöglicht unter anderem problemlos einzelne Rohrelemente in ihrer Länge oder ihrem Querschnitt zu variieren, um gezielt Frequenz- und Modenverschiebungen zu untersuchen.
Was ist das Rayleigh-Kriterium?
Das Rayleigh-Kriterium ist ein wichtiges Stabilitätskriterium bei selbsterregten Verbrennungsschwingungen.
Damit in einer Brennkammer eine Resonanzfrequenz angeregt werden kann, wird eine Schallquelle benötigt, die diesem System ständig mit der richtigen Schwingungsfrequenz Energie zuführt. Bei einem Verbrennungssystem erfolgt die Energiezufuhr durch eine Schwingung der Reaktionsrate bzw. der thermischen Verbrennungsleistung um ihren Mittelwert. Diese thermische Leistungsschwingung muss jedoch zur Anregung einer selbsterregten Verbrennungsschwingung nicht nur die richtige Frequenz, sondern auch den richtigen Phasenwinkel aufweisen, und zwar derart, dass die sich im System ausbildende Schalldruckschwingung verstärkt wird. Als erster formulierte Lord Rayleigh im Jahre 1878 hierfür das nach ihm benannte Kriterium. Es besagt, dass bei gleichphasiger Schwingung der thermischen Leistungsfreisetzung der Flamme und des Schalldrucks, die Verbrennungsschwingung angeregt und bei gegenphasiger Schwingung gedämpft wird. Diese Überlegung wurde von Putnam und Dennis aufgegriffen und mathematisch in Form des "Rayleigh-Integrals" ausgedrückt:
Dieses Integral besagt, dass das Produkt aus thermischer Leistungsschwingung und Schalldruck integriert über eine Schwingungsperiode positiv sein muss, damit es zur Anregung einer Verbrennungsschwingung kommt. Ist der Integralwert negativ, wird die Verbrennungsschwingung gedämpft.
Wendet man diese Gleichung auf eine harmonische Schwingung an, dann ist die Bedingung erfüllt, wenn die Phasendifferenz zwischen thermischer Leistungsschwingung und Schalldruckschwingung im Bereich ± 90° liegt.
Eine konsequente Weiterentwicklung dieses Kriteriums stellen die von uns neu angebotenen Untersuchungen des 1- und 2-dimensionalen Rayleigh-Indexes dar. Hierzu wurde die globale Formulierung der obigen Ungleichung auf eine lokale Formulierung in Form eines Indexes erweitert. Dieser Index erlaubt die Identifikation von anregenden und dämpfenden Bereichen in einer Verbrennungszone, wodurch eine gezielte Beeinflussung der Koppelung zwischen thermischer und akustischer Schwingung ermöglicht wird.
Die Abbildung zeigt den 1- und 2-dimensionalen Rayleigh-Index, berechnet anhand experimenteller Daten einer Brennkammer für Flüssigkraftstoff. Der eindimensionale Rayleigh-Index ist als Kurve über der Brennerlänge (Abbildung unten) und der zweidimensionale Rayleigh-Index als Intensitätsbild in der Brennergeometrie (Abbildung oben) dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass sich anregende und dämpfende Flammenbereiche entlang der Brennkammer abwechseln, wobei die anregenden Bereiche überwiegen, was schließlich zur Anregung von Verbrennungsschwingungen führt.
Wie entstehen selbsterregte bzw. selbstinduzierte Verbrennungsschwingungen?
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.
Selbsterregte Verbrennungsschwingungen werden oft auch als Verbrennungsinstabilitäten, thermoakustische Schwingungen
oder entsprechend den hörbaren Frequenzen als Rumpeln, Brummen, Pfeifen oder Pulsation bezeichnet.
Was versteht man unter thermischer Leistungsfreisetzung?
Eine wesentliche Größe beim Auftreten selbsterregter Verbrennungsschwingungen ist eine instationäre thermische Leistungsfreisetzung der Flamme, d. h. eine zeitliche Schwankung der durch die Verbrennung in die Strömung eingebrachten Energierate. In vielen Fällen ist ein modulierter Zustrom des Brennstoff/Luft-Gemisches in die Verbrennungszone Ursache einer solchen schwankenden Verbrennungsleistung. Die Möglichkeit zur Quantifizierung dieser Schwankungen stellt eine wichtige Voraussetzung für die Analyse einer vorliegenden instabilen Verbrennung und deren Klassifizierung als selbst- oder fremderregte Verbrennungsinstabilität dar.
Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder Luft erfolgt nicht in einem einzelnen Reaktionsschritt, sondern über eine Vielzahl von Zwischenreaktionen (z. T. mehrere hundert) unter Bildung entsprechend zahlreicher Zwischenprodukte. Viele dieser Zwischenreaktionen laufen extrem schnell ab und die beteiligten Zwischenprodukte sind entsprechend kurzlebig, wie z. B. das OH-Radikal, dessen Lebensdauer weniger als 600 ns beträgt.
Die IFTA bietet neben der räumlich-integralen Messung der OH-Strahlung (gesamte Verbrennungsleistung) auch 1-D und 2-D Messungen bestimmter Flammenbereiche oder Zonen der Verbrennungsfront an. Für die integrale Messung setzen wir besondere Photomultiplier ein. Die 1-D und 2-D Messungen werden mittels einer speziellen Lichtleiteroptik realisiert. Um den zeitlichen Zusammenhang zwischen thermischer Leistungsschwingung und der Schwingung der zeitgleich gemessenen Schallfeldgrößen zu erhalten, werden diese Messungen im Frequenzbereich ausgewertet. Neben der direkten Analyse können solche Daten z. B. auch zur Berechnung des Rayleigh-Indexes weiter verwendet werden.
