DE4040745A1 - Aktive regelung von durch verbrennung hervorgerufene instabilitaeten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Regelung zur Unterdrückung niederfrequenter, durch Verbrennung hervorgerufener Instabilitäten in Triebwerken, Brennkammern und Nachbrennern.

Die meisten Triebwerke und Nachbrenner von Flugzeugen und mit Gasen und Flüssigkeiten gefeuerten Landbasis- Brennkammern weisen unter gewissen Betriebsbedingungen eine durch die Verbrennung hervorgerufene Instabilität der einen oder anderen Art auf. Die Instabilitäten in Flugzeug- Haupttriebwerken und Landbasis- Brennkammern sind im allgemeinen in dem niederfrequenten Bereich und werden Heulen/Knurren genannt, wogegen die im Nachbrenner gefundenen Stabilitäten sowohl aus niederfrequenten Schwingungen (Heulen/Brummen) als auch hochfrequenten Schwingungen bestehen, die Kreischen genannt werden. Konventionell wurde das hochfrequente Kreischen angegangen durch eine passive Behandlung durch akustische Auskleidungen oder andere derartige Mittel. Diese Vorrichtungen sind jedoch nicht sehr effizient bei der Unterdrückung niederfrequenter Schwingungen.

Flugzeug- Haupttriebwerk- Brennkammern und Nachbrenner und Turbinenbrennkammern weisen unter gewissen Bedingungen unstetige, durch Verbrennung hervorgerufene Schwingungen auf als eine Folge der Kopplung unstetiger Wärmeabgabeschwingungen mit akustischen Druckschwankungen. Wenn derartige Schwingungen nicht unterdrückt werden, können sie im Extremfall sehr stark anwachsen und eine physikalische Zerstörung von Hardware zur Folge haben. Letztendlich haben derartige Schwingungen eine nicht akzeptierbare Metallermüdung zur Folge und sind dementsprechend unerwünscht. Konventionelle Mittel zum Unterdrücken derartiger Schwingungen in praktischen Systemen sind auf passive Vorrichtungen beschränkt, wie beispielsweise akustische Auskleidungen oder Helmholtz- Resonatoren. Die meisten dieser Vorrichtungen sind relativ ineffizient bei der Unterdrückung niederfrequenter (500 Hz oder weniger) Schwingungen. Die derzeitigen Vorrichtungen sind in ihrem betrieblichen Rahmen eingeschränkt und erfüllen nicht ihr Optimum, um möglicherweise zerstörerische Schwingungen zu vermeiden.

Aktive Regelungen, die Lautsprecher als Mittel zur Betätigung verwenden, um den akustischen Grenzzustand in Brennkammern zu modifizieren, sind bei Forschungsarbeiten im Labor durchgeführt werden.

Aktive Regelverfahren auf Lautsprecherbasis sind zwar sehr attraktiv als Forschungswerkzeuge, aber sie bilden kein praktisches Mittel der Kreisch- Unterdrückung aufgrund der relativ kleinen Energieabgaben der Lautsprecher und ihrer großen physikalischen Größe.

Es sind auch Arbeiten durchgeführt worden, in denen aktive Regelung implementiert worden ist durch Steuerung eines Prozentsatzes der gasförmigen Brennstoffströmung sehr nahe an dem Flammenstabilisierer. Eine Absenkung im Schalldruckpegel bis zu 10 dB ist in einer Brennkammer im Laborrahmen berichtet worden, indem die Gasströmung unter Verwendung von Ein/Aus-Stellgliedern in einem Rückführungsmodus gesteuert wurde. Die Verwendung von gasförmigem Brennstoff ist jedoch auf Gasturbinen- Brennkammern beschränkt, und für die meisten praktischen Vorrichtungen einschließlich Flugzeug- Brennkammern und Nachbrennern, die flüssigen Brennstoff verwenden, gibt es keine bekannte Untersuchung der Anwendung von aktiven Regelverfahren, um durch Verbrennung hervorgerufene Schwingungen unter Verwendung von Brennstoffströmungsmodulation zu unterdrücken. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar sowohl auf Hauptbrennkammern und Nachbrenner in Flugzeugtriebwerken als auch auf mit flüssigen Brennstoffen arbeitenden Landbasis-Hauptbrennern. In allen diesen Vorrichtungen wird der Brennstoff im allgemeinen unmittelbar stromaufwärts von dem Flammenhalter oder Flammenstabilisierer in einer flüssigen Sprühform mit einer gewissen Art von Luftverwirbelungs- Atomisierung injiziert. Die Flamme wird stabilisiert in der rezirkulierenden Schleppe oder Verwirbelung stromabwärts dem Flammenhalter oder Wirbelungsstabilisierer.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine aktive Regelung zur Unterdrückung niederfrequenter, durch Verbrennung hervorgerufener Instabilitäten in Triebwerken, Brennkammern und Nachbrennern zu schaffen, ohne die Leistungsfähigkeit zu verschlechtern.

Erfindungsgemäß wird eine aktive Regelung geschaffen zum Regeln von durch Verbrennung hervorgerufene Instabilitäten in einer Brennkammer mit Mitteln zur Lieferung von atomisierten bzw. zerstäubten Brennstoff, die in der Brennkammer angeordnet sind. Die aktive Regelung enthält Druckwandlermittel zum Messen von Druckschwankungen in der Brennkammer und Servoventilmittel zum Steuern der Brennstoffmenge, die den Mitteln zur Lieferung von atomisierten Brennstoff zugeführt wird. Phasenverschiebungsmittel verbinden den Druckwandler mit dem Servoventil. Die Phasenverschiebung wird so eingestellt, daß die für die Verbrennung zugeführte Brennstoffmenge während Druckschwankungen verkleinert wird, um Druckschwankungen in der Brennkammer zu verkleinern.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schnittbild von einem Turbostrahl- Triebwerk mit einer aktiven Regelung zum Unterdrücken niederfrequenter, durch Verbrennung hervorgerufener Instabilitäten in der Brennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schnittbild von einem Turbostrahl- Triebwerk mit einer aktiven Regelung zur Unterdrückung niederfrequenter, durch Verbrennung hervorgerufener Instabilitäten in dem Nachbrenner gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Kurvenbild und zeigt das Leistungsspektrum, gemessen in einem logarithmischen Maßstab in Volt, von einem dynamischen Druckwandler als eine Funktion der Frequenz in einem simulierten Nachbrenner, wobei ein Ausführungsbeispiel der aktiven Regelung gemäß der Erfindung ausgeschaltet ist.

Fig. 4 ist ein Kurvenbild und zeigt das Leistungsspektrum, gemessen in einem logarithmischen Maßstab in Volt, von einem dynamischen Druckwandler als eine Funktion der Frequenz in einem simulierten Nachbrenner, wobei ein Ausführungsbeispiel der aktiven Regelung gemäß der Erfindung eingeschaltet ist.

In Fig. 1 ist ein Trubostrahl- Triebwerk 1 mit einer aktiven Regelung gezeigt, die die Brennstoffströmung steuert, die einer der Brennkammer- Brennstoffdüsen 5 zugeführt wird. Das Triebwerk 1 weist ein im allgemeinen zylindrisches Gehäuse 7 auf, das an beiden Enden offen ist. Ein Verdichter 11 hat einen Rotor auf einer gemeinsamen Welle mit dem Rotor der Turbine 13. Der Verdichter und die Turbine sind in dem Gehäuse angeordnet. Luft wird in einen Verdichtereinlaß durch ein Einlaßdiffusor- und Leitungssystem 15 eingeführt, das an dem einen Ende des Gehäuses angeordnet ist. Die Luft wird dann durch den dynamischen Verdichter 11 verdichtet und in eine ringförmige Brennkammer 17 eingeleitet. Mehrere Brennstoffdüsen 5, die jeweils in der Mitte von einer Verwirbelungskappe 21 angeordnet sind, führen Brennstoff zu, der mit Luft gemischt und verbrannt wird. Stromabwärts von der Brennkammer expandiert die erhitzte Luft durch die Turbine, um Leistung für den Antrieb des Verdichters zu erhalten. Die Luft kann dann weiter erhitzt werden durch die zusätzliche Verbrennung von mehr Brennstoff in einer Brennkammer, die Nachbrenner 23 genannt wird. Der Nachbrenner ist nahe dem anderen Ende des Gehäuses angeordnet und weist einen Diffusor-Konus 25 und mehrere radial nach innen verlaufende Brennstoffsprühstäben 27 auf, die durch das Gehäuse führen. Ein erster Satz von Sprühstäbe umgibt den Diffusor-Konus 25 und ein weiterer Satz von Sprühstäben erstreckt sich weiter stromabwärts radial nach innen. Die Sprühstäbe haben jeweils Öffnungen senkrecht zu der Luftströmung, wodurch der Brennstoff durch die Luftströmung atomisiert und verdampft wird, wenn der Brennstoff aus dem Sprühstab austritt. Ein kurzes Stück stromabwärts von dem austretenden Brennstoff des ersten Satzes von Sprühstäben befindet sich ein erster ringförmiger Flammenhalter 31 mit einem V-förmigen Querschnitt, der auch als eine V-Rinne bezeichnet wird. Der Scheitel des V ist stromaufwärts gerichtet. Der Pfeil 33 gibt die Luftströmungsrichtung an. Ein zweiter ringförmiger Flammenhalter 35 mit einem V-förmigen Querschnitt ist stromabwärts von dem ersten Flammenhalter angeordnet und ist ein kurzes Stück stromabwärts von dem Brennstoff positioniert, der aus dem zweiten Satz von Sprühstäben austritt. Der zweite Flammenhalter wird durch Halteteile 37 von dem Gehäuse gehaltert. Der erste Flammenhalter wird durch Halteteile 41 von dem zweiten Flammenhalter gehaltert.

Eine aktive Regelung mit einem dynamischen Druckwandler 43 ist in der Brennkammer stromabwärts von der Sprühdüse angeordnet, um Druckschwankungen zu messen. Das von dem Druckwandler gelieferte elektrische Signal wird einem Filter und Vorverstärker zugeführt, die in dem Kästchen 45 gezeigt sind. Das Filter entfernt die Gleichspannungskomponente aus dem Signal und auch hochfrequentes Rauschen. Das verstärkte und gefilterte Signal wird einem in dem Kästchen 47 gezeigten Phasenschieber zugeführt, der auf die Zeitverzögerung, die durch die Position des Sensors relativ zur Brennstoffdüse, eingeführt wird, die Zeitverzögerung, die durch das Servoventil eingeführt wird, und die Zeitverzögerung eingestellt ist, die zum Verdampfen und Verbrennen des Brennstoffs eingeführt wird. Die Einstellung des Phasenschiebers kann durch Einstellung der Größe der Phasenverschiebung herbeigeführt werden, die während des tatsächlichen Betriebs erforderlich ist, oder es kann eine adaptive Regelung verwendet werden, die die geeignete Phasenverschiebung bei verschiedenen Frequenzen herbeiführt. Das phasenverschobene Signal wird über einen Verstärker, der im Kästchen 51 gezeigt ist, einem Servoventil 53 zugeführt, das in der Brennstoffleitung 55 angeordnet ist, die eine der Brennstoffdüsen 5 versorgt. Das Servoventil 53 steuert einen Teil der dadurch gelieferten Brennstoffströmung. Das Ansprechverhalten der Regelung ist primär durch das Ansprechverhalten des Servoventils 53 begrenzt. Ein Servoventil mit 150 Hz Ansprechverhalten ist erhältlich beispielsweise in der 73 Serie, die beispielsweise von der Moog Inc., East Aurora, New York, gefertigt wird.

Die Erfinder nehmen an, daß der primäre Mechanismus, der für das Kreischen verantwortlich ist, die Wechselwirkung zwischen unstetigen Wärmefreigabeoscillationen und akustischen Druckschwankungen und die Tatsache sind, daß die resultierende Wechselwirkung eine sehr empfindliches Gleichgewicht zwischen der in das System eingegebenen Energie und der von dem System verlorenen Energie ist. Lord Rayleigh war der erste, der darauf hinwies, daß für eine eigene Aufrechterhaltung einer Verbrennungsinstabilität die unstetige Wärmefreigabe und der unstetige Druck im Mittel über einem Zyklus "in Phase" sein sollten. Die meisten praktischen Brennkammern sind sehr leicht gedämpft, und das Gleichgewicht zwischen der in das System eingegebenen Energie, da die unstetige Wärmefreigabe und der Druck in Phase sind, und der durch das System verlorenen Energie aufgrund der akustischen und anderer viskoser Verluste, ist sehr empfindlich. Eine minimale Phasenverschiebung der unstetigen Wärmefreigabe gegenüber akustischen Druckschwankungen in der richtigen Richtung kann deshalb ausreichen, um dieses empfindliche Gleichgewicht zu stören und derartige Oszillationen bzw. Schwingungen zu unterdrücken. Die aktive Regelung moduliert bzw. steuert die Brennstoffströmung (und demzufolge die unstetige Wärmefreigabe) um einen kleinen Prozentsatz in einem Rückführungsmodus, um eine ausreichende Phasenverschiebung zwischen der unstetigen Wärmefreigabe und unstetigen Druckschwankungen zur Folge zu haben, um sie auf wirksame Weise zu entkoppeln und somit die Oszillationen zu unterdrücken. Die Modulationen der Brennstoffströmung durch das Servoventil verkleinert die Brennstoffströmung, die während Druckspitzen für eine Verbrennung zur Verfügung steht.

In Fig. 2 ist ein Turbostrahl-Triebwerk 1 der in Fig. 1 gezeigten Art mit einer aktiven Regelung 3 gezeigt. Ein dynamischer Druckwandler 43 ist nicht in der Brennkammer 17 angeordnet, wie in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, sondern in dem Nachbrenner 23. Das Servoventil 53 steuert bzw. moduliert die den Sprühstäben 27 zugeführte Brennstoffströmung anstatt der Brennstoffdüse 5. Im Betrieb wird flüssiger Brennstoff in die heiße gemeinsame Luftströmung durch kleine Steuerlöcher in den Brennstoffsprühstäben unmittelbar stromaufwärts von den Flammenhaltern 31 und 35 (in diesem Fall V-Rinnen) injiziert. Der Brennstoff wird dann mit der dort strömenden Luft gemischt und atomisiert und verdampft, wenn er sich stromabwärts ausbreitet. Wenn das teilweise vorgemischte Brennstoff- Luft- Gemisch über die Lippen der Flammenhalter strömt, werden abschnittweise Wirbel geworfen. Diese abschnittsweise auftretenden Verwirbelungen haben eine Rotationsachse senkrecht zur Strömungsrichtung. Diese Wirbel wandern dann stromabwärts, reißen heiße rezirkulierende Produkte mit sich, vereinigen sich und wachsen, und nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung (in Abhängigkeit von der Brennstoffgeschwindigkeit usw.) verbrennen sie und geben Wärme frei, die dann das dynamische Druckfeld in dem Nachbrenner 23 verändert. Die dadurch entstehenden Druckschwankungen an den Lippen der V-Rinne führen ihrerseits zu einem weiteren Satz von Verwirbelungen und somit wiederholt sich der Prozeß. Wenn die Frequenz, mit der dieser Prozeß auftritt, mit einem akustischen Resonanzmodus des Nachbrenners (in Abhängigkeit von der Geometrie) zusammenpaßt, tritt eine Kopplung auf und es entwickelt sich das Kreischen. Die Verwirbelungen dienen der Mischung der relativ kälteren Reaktionsmittel mit den heißen rezirkulierenden Produkten und sind deshalb lebenswichtig, um die die Flamme zu unterhalten. Die gleichen Wirbel resultieren jedoch in ungedämpften, unstetigen, durch Verbrennung hervorgerufenen Schwingungen, obwohl der Brennstoff stromaufwärts von dem Flammenhalter in einer stetigen Art und Weise eingespritzt wird.

Die aktive Regelung 3 moduliert den stromaufwärts von dem Flammenhalter eingespritzten Brennstoff um einen kleinen Betrag mit der geeigneten Phasenverschiebung, so daß die Verwirbelungen, die gleichphasisch mit den Druckschwingungen brennen, etwas weniger Brennstoff enthalten (und demzufolge etwas weniger Energie freisetzen) als die Wirbel, die nicht nicht Phase sind. Dieses Vorgehen hat zur Folge, daß die Wärmefreigabe genügend "ungleichphasig" mit Druckschwingungen "im Mittel" sind, um die Schwingungsunterdrückung zur Folge zu haben. Die erforderliche geeignete Phaserverschiebung kann jedoch nicht im voraus berechnet werden, da die Zeitverzögerungen nicht bekannt sind, und deshalb arbeitet die Regelung in einem Rückführungsmodus.

Eine 7,5 cm × 7,5 cm Kreisch- Brennkammer wurde dazu verwendet, den Nachbrennerbetrieb zu simulieren. Der Flammenhalter war eine V-Rinne (33% Blockierung), und der Brennstoff wurde 15 cm stromaufwärts von dem Flammenhalter eingespritzt, wobei eine übliche Wirbel- Atomisierungsdüse verwendet wurde. Die Luft wurde auf etwa 315°C (600°F) durch eine elektrische Vorheizeinrichtung vorgeheizt, um die Atomisierung des flüssigen Brennstoffs (Kerosin) zu unterstützen. Ohne jede aktive Regelung zeigte die Brennkammer einen longitudinalen Viertelwellen- Instabilitätsmodus mit einer dominanten Frequenz von 130 Hz. Fig. 3 zeigt das Energiespektrum, das durch einen dynamischen Druckwandler gemessen wurde, der 60 cm stromaufwärts von dem Flammenhalter angeordnet war.

Der aktive Regelkreis bestand aus einem 60 cm stromaufwärts von dem Flammenhalter angeordneten Druckwandler, der als ein Sensor verwendet wurde, einem Krohnhite Bandpaßfilter hoher Ordnung, einem Tektronix Verstärker, einem PAR Verriegelungsverstärker bzw. Synchrondetektor als Phasenschieber und einem elektronisch gesteuerten Moog Servoventil als Stellglied. Das Servoventil steuerte die Brennstoffströmung in Abhängigkeit von dem bearbeiteten Eingangssignal. Bei geeigneter Verstärkung und einer geeigneten Größe der Phasenverschiebung in der Rückführungsschliefe wurde ein signifikante Verkleinerung in der dynamischen Aktivität der Brennkammer beobachtet. Fig. 4 zeigt das gemessene Energiespektrum an der gleichen Stelle in der Brennkammer, wobei die aktive Regelung eingeschaltet ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, besteht ein wesentlicher Abfall in der dynamischen Aktivität bei der dominanten Frequenz der Schwingungen. Es wurde gefunden, daß der Gesamtschalldruckpegel in der Brennkammer um etwa 4 dB gesenkt wurde, wenn die aktive Regeleinrichtung eingeschaltet war. Es gab eine minimale zusätzliche Eingangsenergie in das System und es wurde geschätzt, daß die Brennstoffströmung um nur 5% der durchschnittlichen Brennstoffströmungsrak verändert wurde. Es scheint, daß auch die Moden höherer Ordnung in signifikanter Weise gesenkt wurden, obwohl die Moden höherer Ordnung außerhalb der Bandbreite des Stellgliedes sind.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Regelungen können als digitale oder analoge Schaltungsanordnungen implementiert werden. Es ist zwar nur eine einzige Brennstoffdüse gezeigt, die eine veränderte bzw. gesteuerte Brennstoffversorgung empfängt, es kann aber auch der mehreren Brennstoffdüsen zugeführte Brennstoff gesteuert bzw. verändert werden. In ähnlicher Weise kann auch der Brennstoff gesteuert bzw. verändert werden, der mehreren Sprühstäben zugeführt wird.

Zusammenfassend wurde vorstehend eine aktive Regelung zur Unterdrückung niederfrequenter, durch Verbrennung hervorgerufener Instabilitäten in Triebwerken, Brennkammern und Nachbrennern beschrieben, wobei die Leistungsfähigkeit nicht verschlechtert wird.

Claims (6)

1. Aktive Regelanordnung zum Regeln von durch Verbrennung hervorgerufenen Instabilitäten in Brennkammern mit darin angeordneten Mitteln zur Lieferung von atomisiertem Brennstoff, gekennzeichnet durch:
Druckwandlermittel (43) zum Messen von Druckschwankungen in der Brennkammer,
Servoventilmittel (53) zum Steuern bzw. Verändern der Brennstoffmenge, die dem Mitteln zur Lieferung von atomisierten Brennstoff zugeführt ist und
Phasenschiebermittel (47), die dem Druckwandler mit dem Servoventil verbinden und die so eingestellt sind, daß die Brennstoffmenge, die während Druckspitzen für eine Verbrennung zugeführt ist, verkleinert ist, zum Absenken von Druckschwankungen in der Brennkammer.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (53) etwa 5% des gesamten Brennstoffes besteuert, bzw. verändert, der der Brennkammer zugeführt ist.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckwandler (43) und dem Phasenschieber (47) eine Filtereinrichtung (45) angeordnet ist, die die Gleichspannungskomponente und auch das Rauschen aus dem Signal entfernt.

4. Regelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Phasenschieber (47) und dem Servoventil (53) eine Verstärkereinrichtung (51) angeordnet ist zum Verstärken des von dem Phasenschieber gelieferten Siegnals zum Ansteuern des Servoventils.

5. Strahltriebwerk mit verkleinerten Verbrennungs- Instabilitäten, gekennzeichnet durch:
eine Brennkammer (17),
in der Brennkammer (17) angeordnete Mittel (5) zur Lieferung von atomisiertem Brennstoff,
Druckwandlermittel (43) zum Messen von Druckschwankungen in der Brennkammer (17),
Servoventilmittel (53) zum Verändern bzw. Steuern des Brennstoffs, der den Mitteln zur Lieferung von atomisierten Brennstoff zugeführt ist, und
Phasenschiebermittel (47), die den Druckwandler mit dem Servoventil verbinden, das so eingestellt ist, daß die Brennstoffmenge, die während Druckspitzen zur Verbrennung zugeführt ist, verkleinert ist für eine Verkleinerung von Druckschwankungen in der Brennkammer.

6. Strahltriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer einen Nachbrenner (23) aufweist.