Manche Brennkammern geraten an bestimmten Betriebspunkten in eine hochamplitudige, nahezu einfrequente Schwingung. Der Lärm ist unangenehm; das eigentliche Problem ist, dass die Druckamplitude die mechanischen und thermischen Lasten vervielfacht.
Der Mechanismus
Die Schwingung entsteht aus einer Rückkopplungsschleife zwischen Wärmefreisetzung und akustischer Druckwelle. Ist die Schwankung der Wärmefreisetzung gleichphasig mit der Druckwelle, pumpt die Verbrennung Energie in die akustische Welle; die Welle moduliert ihrerseits Mischung und Strömungsgeschwindigkeit und lässt die Wärmefreisetzung erneut schwanken. Die Schleife schließt sich, und die Amplitude wächst, bis nichtlineare Effekte sie begrenzen.
Entscheidend ist die Phasenlage: gleichphasig nährt sie, gegenphasig dämpft sie.
Warum sie schwer wegzukonstruieren ist
Die Phasenlage hängt von der Laufzeit des Brennstoffs von der Einspritzstelle bis zur Flammenzone (der konvektiven Laufzeit) und von der akustischen Länge der Kammer ab. Beides ändert sich mit dem Betriebspunkt. Ein bei einer Last stabiles System kann deshalb bei einer anderen instabil sein, und die Instabilität zeigt sich typischerweise erst im Feld, in einem schmalen Betriebsband.
Es ist kein Zufall, dass NOx-arme Auslegungen dafür anfälliger sind: Die magere Vormischverbrennung macht die Wärmefreisetzung empfindlicher gegenüber Strömungsschwankungen. Siehe die Notiz zu NOx.
Der Modellierungsansatz
Eine vollständige Lösung ist teuer: Die akustischen Wellen und die Schwankung der Wärmefreisetzung müssen gemeinsam gelöst werden, also kompressibel und instationär. Da die Mach-Zahl niedrig ist, ist das zudem numerisch anspruchsvoll.
Der praktische Weg hat zwei Schritte: zuerst die akustischen Moden der Kammer gesondert bestimmen, dann ermitteln, wie die Flamme auf diese Moden antwortet (die Flammenübertragungsfunktion). Beides zusammen ergibt die Stabilitätskarte.
Passive Abhilfen
Helmholtz-Resonatoren, akustische Auskleidungen, eine Änderung der Impedanz der Brennstoffzufuhr. Alle sind auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt, und Aufgabe der Analyse ist es, diese Frequenz und die Amplitude vorab vorherzusagen.
Referenzen
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6