DE102006007711B4

DE102006007711B4 - Brennkammer und Verfahren zur Einstellung der akustischen Eigenschaften einer Brennkammer

Info

Publication number: DE102006007711B4
Application number: DE102006007711A
Authority: DE
Inventors: Zoltán Faragó
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: FR2897416A1; DE102006007711A1; FR2897416B1

Abstract

Brennkammer mit einem Brennraum (14) und einer Resonatoreinrichtung (21), welche eine oder mehrere Resonatoren (22) umfaßt und zur Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer dient, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Resonator (22) mit einem Oberton und nicht mit seinem Grundton auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einem Brennraum und einer Resonatoreinrichtung, welche ein oder mehrere Resonatoren umfaßt und zur Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer dient.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Einstellung der akustischen Eigenschaften einer Brennkammer, bei dem die Brennkammer mit einem oder mehreren Resonatoren versehen wird.
In oder an Brennkammern, insbesondere für Flugkörper wie Raketen, können oszillierende Teilvorgänge der Verbrennung stattfinden. Die Brennstoffzufuhr kann oszillieren, die Mischungsbildung von Brennstoff und Oxidator kann oszillieren und die chemischen Reaktionen in der Brennkammer können oszillieren. Bei Flüssigbrennstoff oder bei einem gelförmigen Treibstoff kann die Zerstäubung und Verdampfung Oszillationen aufweisen.
Die Brennkammer selbst ist ein Hohlkörper, welcher akustische Eigenmoden aufweist. Es ist grundsätzlich möglich, daß eine akustische Kopplung der beschriebenen oszillierenden Vorgänge mit Eigenmoden der Brennkammer erfolgt. Dadurch können Druckpulsationen entstehen, die beispielsweise zur Beschädigung der Brennkammer führen können oder die Verbrennung stören können. Es ist dabei sogar möglich, daß die Verbrennung erlischt.
Bei einer Störung der Verbrennung tritt üblicherweise eine Leistungsminderung auf. Es besteht auch die Gefahr, daß die Betriebssicherheit erniedrigt wird und die Lebensdauer erniedrigt wird. Es kann auch eine Erhöhung der Schadstoffbelastung und der Schallbelastung auftreten.
Die akustischen Eigenschaften einer Brennkammer lassen sich durch das Vorsehen von einem oder mehreren akustischen Resonatoren als Dämpfungselemente beeinflussen. Diese akustischen Resonatoren können an Eigenmoden der Brennkammer koppeln, um so Eigenmoden in unkritische Frequenzbereiche verschieben zu können bzw. störende Eigenmoden dämpfen zu können.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2005 035 085 vom 20. Juli 2005 des gleichen Anmelders ist ein Verfahren zur Einstellung der akustischen Eigenschaften einer Brennkammer bekannt, bei dem die Brennkammer mit mindestens einem akustischen Resonator als Dämpfungselement versehen wird und eine erste Eigenmode einer Ausgangs-Brennkammer-Resonator-Kombination unterhalb der Eigenmode der Ausgangs-Brennkammer und einer zweiten Eigenmode der Ausgangs-Brennkammer-Resonator-Kombination oberhalb der Eigenmode der Ausgangs-Brennkammer bezüglich Intensität und/oder Halbwertsbreite verglichen wird.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2005 050 029.3 vom 14. Oktober 2005 des gleichen Anmelders ist eine Resonatorvorrichtung für eine Brennkammer mit einem Brennraum bekannt, welche eine Wandung umfaßt, durch welche ein Resonatorraum gebildet ist, wobei der Resonatorraum an einer ersten Stirnseite zur Verbindung mit der Brennkammer mittels einer ersten Öffnung offen ist. Die Wandung weist an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite eine zweite Öffnung auf.
Untersuchungen zu den Eigenmoden einer zylindrischen Brennkammer sind in dem Artikel "Resonance Frequencies and Damping in Combustion Chambers with Quarter Wave Cavities" von Z. Faragó und M. Oschwald, 6^th Symposium an Launcher Technologies, November 8^th to 11^th, 2005, München, beschrieben.
Aus der EP 0 892 217 A1 ist eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine bekannt, welche Kühlkanäle mit einem Eintritt in eine Brennkammerhaube aufweisen, wobei die Kühlkanäle so ausgelegt sind, dass die akustische Impedanz am Eintritt der Kühlkanäle in die Brennkammerhaube bei bestimmten, zu dämpfenden Frequenzen minimiert wird.
Aus der DE 100 58 688 A1 ist eine Dämpferanordnung zur Reduktion von sich innerhalb einer Gasturbine ausbildenden Brennkammerpulsationen bekannt.
Aus der EP 0 597 138 A1 ist eine Gasturbinenbrennkammer mit einem ringförmigen Verbrennungsraum bekannt, wobei im Bereich eines Brenners gespülte, aus einem Zuführrohr, einem Resonanzvolumen und einem Dämpfungsrohr bestehende Helmholtz-Dämpfer angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher sich Eigenschwingungen auf effektive Weise dämpfen lassen.
Diese Aufgabe wird bei der oben genannten Brennkammer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Resonator mit einem Oberton und nicht mit seinem Grundton auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt ist.
Es hat sich gezeigt, daß, wenn mindestens ein Resonator mit einem Oberton (das heißt nicht mit seinem Grundton) auf eine Eigenmode abgestimmt ist, sich dann über einen oder mehrere weitere Obertöne auch eine oder mehrere weitere Eigenmoden dämpfen lassen. Beispielsweise lassen sich mit einem Lambda-Viertel-Resonator, welcher mit seinem ersten Oberton auf die erste tangentiale Eigenmode einer zylindrischen Brennkammer abgestimmt ist, auch über den zweiten Oberton die zweite tangentiale Eigenmode und über den dritten Oberton die dritte tangentiale Eigenmode effektiv dämpfen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich dadurch die Anzahl der Resonatoren, welche an einer Brennkammer angeordnet werden müssen, verringern und/oder die Dämpfungswirkung läßt sich erhöhen. Grundsätzlich ist es so, daß für die Dämpfung jeder relevanten Eigenmode mehrere Resonatoren vorgesehen werden müssen, da Resonatoren nur für einen bestimmten Raumbereich eines Brennraums wirken. Weiterhin müssen spezielle Resonatoren für transiente Vorgänge, insbesondere im Zusammenhang mit einem Brennerstart, vorgesehen werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich mit einer geringeren Anzahl an Resonatoren eine effektive Dämpfung einer Mehrzahl von Eigenmoden erzielen.
Da eine geringere Anzahl von Resonatoren vorgesehen werden muß, ist auch die Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer erleichtert.
Insbesondere ist die Abstimmung über Einstellung der geometrischen Abmessungen eines Resonatorraums des mindestens einen Resonators erreicht. Dadurch läßt sich eine Anpassung des entsprechenden Obertons und weiterer Obertöne des mindestens einen Resonators an die zu dämpfenden Eigenmoden der Brennkammer erreichen.
Insbesondere ist die Länge des Resonatorraums eingestellt. Es kann sich dabei um eine feste Einstellung handeln; der Resonator wird dann entsprechend ausgewählt. Es ist beispielsweise auch möglich, daß an einem Resonator die Länge des Resonatorraums variabel einstellbar ist und es wird die entsprechende Einstellung dann gewählt.
Beispielsweise ist der mindestens eine Resonator ein Lambda-Viertel-Resonator. Dieser weist ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende zu dem Brennraum auf. Das offene Ende steht mit dem Brennraum in Verbindung. Resonanzen können sich ausbilden, wenn sich eine stehende Welle in dem entsprechenden Resonatorraum ausbilden kann. Ein Lambda-Viertel-Resonator ist sehr obertonreich.
Es ist beispielsweise auch denkbar, daß der mindestens eine Resonator ein Helmholtz-Resonator ist. Dieser weist einen Resonatorraum mit einem geschlossenen Ende auf. An dem gegenüberliegenden Ende ist der Helmholtz-Resonator mit dem Brennraum verbunden, wobei der Durchmesser des Verbindungsbereiches (erheblich) kleiner ist als der Durchmesser des Resonatorraums.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein solchen Oberton des mindestens einen Resonators eingestellt ist, daß mindestens näherungsweise mindestens ein weiterer Oberton in Resonanz mit mindestens einer weiteren Eigenmode der Brennkammer steht. Dadurch lassen sich mit einem Resonator eine Mehrzahl von Eigenmoden dämpfen. Insbesondere sind die Eigenmoden tangentiale Eigenmoden. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß sich, wenn ein Resonator mit seinem ersten Oberton auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer abgestimmt ist, sich auch die zweite tangentiale Eigenmode (2T) und die dritte tangentiale Eigenmode (3T) über den zweiten Oberton bzw. dritten Oberton effektiv dämpfen lassen.
Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn der erste Oberton des mindestens einen Resonators auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt ist. Es lassen sich dann mehrere Eigenmoden (insbesondere tangentiale Eigenmoden) effektiv dämpfen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der zweite Oberton mindestens näherungsweise in Resonanz mit einer weiteren Eigenmode (beispielsweise mit der 2T-Mode) steht. Diese läßt sich dann dämpfen, ohne daß ein weiterer Resonator vorgesehen werden muß. Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der dritte Oberton mindestens näherungsweise in Resonanz mit einer weiteren Eigenmode wie beispielsweise der 3T-Mode steht.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Resonator auf die erste tangentiale Eigenmode der Brennkammer abgestimmt ist. Es hat sich gezeigt, daß sich dann beispielsweise auch die zweite tangentiale Eigenmode und die dritte tangentiale Eigenmode effektiv dämpfen lassen. Transverse Eigenmoden und insbesondere tangentiale Eigenmoden können bei Verbrennungsvorgängen zu Problemen führen, so daß deren Dämpfung sich günstig auswirkt.
Günstigerweise weist der mindestens eine Resonator eine Röhre auf, in welcher ein Resonatorraum gebildet ist. Ein solcher Resonator läßt sich auf einfache Weise herstellen und abstimmen.
Günstig ist es, wenn der Brennraum mindestens außerhalb eines Halsbereichs zylindrisch ausgebildet ist. Die Eigenmoden einer solchen Brennkammer lassen sich auf einfache Weise berechnen; die entsprechenden Eigenfunktionen sind Besselfunktionen. Es hat sich dabei gezeigt, daß auch für eine Brennkammer mit einem Halsbereich Bessel-Eigenwerte sehr gute Näherungen sind.
Insbesondere ist der Abstand zwischen der Resonatoreinrichtung und dem Halsbereich bezogen auf eine Brennkammerachse größer als der Durchmesser des Brennraums im zylindrischen Bereich. Dadurch werden die akustischen Eigenschaften der Brennkammer durch den zylindrischen Bereich dominiert. Diese lassen sich auf einfache Weise berechnen. Es zeigt sich dann, daß beispielsweise über Abstimmung des ersten Obertons eines Resonators auf die erste tangentiale Eigenmode der Brennkammer sich auch die zweite tangentiale Eigenmode und die dritte tangentiale Eigenmode der Brennkammer effektiv dämpfen lassen.
Günstigerweise ist mindestens eine Öffnung vorgesehen, an welcher der mindestens eine Resonator angeordnet ist. Dadurch läßt sich eine akustische Kopplung zwischen dem Resonator und dem Brennraum erreichen.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Resonator quer zu einer Brennkammerachse orientiert ist. Dadurch lassen sich mehrere Resonatoren an einer Außenseite der Brennkammer anordnen. Die Resonatoren können dabei gerade oder gekrümmt ausgebildet sein.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der mindestens eine Resonator mindestens teilweise radial orientiert ist.
Günstig ist es, wenn die Resonatoreinrichtung an einer Außenseite der Brennkammer angeordnet ist. Dadurch werden die Strömungseigenschaften innerhalb der Brennkammer durch die Resonatoreinrichtung minimal beeinflußt.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von Resonatoren ringförmig an der Brennkammer angeordnet ist. Dadurch läßt sich ein großer Raumbereich des Brennraums über die Resonatoren beeinflussen, um über einen großen Raumbereich Eigenmoden der Brennkammer effektiv dämpfen zu können.
Insbesondere ist es günstig, wenn Resonatoren auf gleicher Höhe angeordnet sind. Beispielsweise wird dazu an der Brennkammer ein Ringflansch angeordnet, an dem die Resonatoren positioniert sind.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich die akustischen Eigenschaften der Brennkammer auf einfache und effektive Weise einstellen lassen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Resonator mit einem Oberton und nicht mit seinem Grundton auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkammer erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkammer erläutert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkammer mit einer Meßanordnung zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer sowie mit an der Brennkammer angeordneten Resonatoren;
2 eine Draufsicht auf die Brennkammer gemäß 1;
3 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Resonators (Lambda-Viertel-Resonator);
4 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Resonators (Helmholtz-Resonator);
5 die grafische Darstellung von Eigenfrequenzen einer zylindrischen Brennkammer und von Eigenfrequenzen eines Lambda-Viertel-Resonators sowie eines Lambda-Halbe-Resonators als Funktion des Verhältnisses Resonatorlänge L zu Brennraumradius r, wobei über eine Länge L₁ der Resonator mit seinem Grundton auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer abgestimmt ist;
6 ein ähnliches Diagramm wie in 5, wobei der Resonator hier erfindungsgemäß mit seinem ersten Oberton (entsprechend einer Länge L₂ des Resonatorraums) auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer abgestimmt ist; und
7 die gemessene Mikrofonspannung an einer Brennkammer, welche in akustische Schwingungen versetzt wurde und die mit einem Lambda-Viertel-Resonator mit einem Resonanzraum der Länge L versehen wurde, in Abhängigkeit des Verhältnisses L zu dem Radius r des Brennraums, für drei verschiedene Anregungsfrequenzbereiche.
Ein Ausführungsbeispiel einer Brennkammer, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Brennkammerwand 12 und einen Innenraum als Brennraum 14. Der Brennraum 14 ist üblicherweise rotationssymmetrisch um eine Brennkammerachse 16 ausgebildet.
Die Brennkammer 10 weist ein Ende 18 auf, an welchem eine Einblaseinrichtung zum Einblasen von Brennstoff und Oxidator angeordnet ist (in 1 nicht gezeigt). Das Ende 18 liegt an einem zylindrischen Bereich 19, auf welchen ein eingeschnürter Halsbereich 20 folgt.
Brenngase treten aus der Brennkammer 10 über den Halsbereich 20 aus.
Eine Brennkammer 10 weist akustische Eigenmoden auf. Kenntnis und Einstellung der akustischen Eigenschaften einer Brennkammer 10 kann für Verbrennungsvorgänge wichtig sein. Teilvorgänge der Verbrennung eines Treibstoffs in der Brennkammer 10 wie Brennstoffzufuhr, Mischungsbildung und chemische Reaktion sowie bei Flüssigbrennstoff Zerstäubung und Verdampfung können periodische bzw. pulsierende Vorgänge sein. Wenn die entsprechende Oszillationsfrequenz irgend eines dieser Teilvorgänge eine akustische Eigenmode der Brennkammer 10 zur Schwingung anregt, können in der Brennkammer 10 aufgrund akustischer Kopplung starke Druckpulsationen entstehen, die wiederum zu einer Beschädigung der Brennkammer 10 führen können bzw. zu Störungen der Verbrennung führen können.
Durch gezielte Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer 10 über eine Resonatoreinrichtung 21 kann man die geschilderten Probleme vermeiden.
An der Brennkammer 10 sind ein oder mehrere akustische Resonatoren 22 als Dämpfungselemente angeordnet. Wenn ein solcher akustischer Resonator 22 (oder eine Mehrzahl von akustischen Resonatoren 22) mit einer akustischen Eigenmode der Brennkammer 10 koppelt (das heißt in Resonanz steht), dann kann bei geeigneter Wahl die Eigenmode in einen Frequenzbereich geschoben werden, in dem sie für den Verbrennungsvorgang nicht mehr störend ist, bzw. gedämpft werden und im Idealfall weitgehend unterdrückt werden.
Es kann beispielsweise ein Ringflansch 24 an einer Außenseite 26 der Brennkammer 10 fixiert sein, an welchem sich akustische Resonatoren 22 insbesondere um eine Umfangslinie an der Außenseite 26 der Brennkammer 10 positionieren lassen (vorzugsweise auf der gleichen Höhe). Der Abstand der Resonatoren 22 (längs der Brennkammerachse 16) zu dem Halsbereich 20 ist vorzugsweise größer als der Durchmesser 2r des Brennraums 14.
Ein akustischer Resonator 22 weist dabei einen Resonatorraum 28 (Resonanzraum) auf, welcher über eine Öffnung in Verbindung mit dem Brennraum 14 der Brennkammer 10 steht.
Zur akustischen Untersuchung der Brennkammer 10 erfolgt eine akustische Anregung der Brennkammer 10 über einen Lautsprecher 30. Zur Signalerzeugung ist ein Signalgenerator 32 vorgesehen, dessen Signale von einem Verstärker 34 verstärkt werden. Der Verstärker 34 ist an den Lautsprecher 30 gekoppelt.
Zur Signaldetektion ist ein Mikrofon 36 vorgesehen, welches an einen Verstärker 38 gekoppelt ist. Der Verstärker 38 liefert die verstärkten Signale an eine Auswerteeinrichtung 40, durch welche insbesondere das Frequenzspektrum der Brennkammer 10 ermittelbar ist.
Als akustischer Resonator läßt sich beispielsweise ein Lambda-Viertel-Resonator 42 einsetzen (3). Dieser umfaßt eine zylindrische Röhre 44, in welcher der Resonatorraum 28 gebildet ist. Die Röhre 44 mündet über ein offenes Ende 46 in den Brennraum 14 der Brennkammer 10. Die Röhre 44 ist quer zu der Brennkammerachse 16 orientiert und mindestens teilweise radial ausgerichtet.
Der Resonatorraum 28 ist an dem dem Ende 46 gegenüberliegenden Ende 48 durch eine Wand 50 abgeschlossen. Diese Wand 50 kann festliegen oder sie kann, wie in 3 gezeigt, verschieblich sein, so daß die Länge L des Resonatorraums 28 zwischen dem Ende 46 und dem Ende 48 variabel einstellbar ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sitzt die Wand 50 an einer Spindel 52, wobei die Spindel 52 zur Einstellung des Resonatorraums 28 in eine Richtung 54, welche quer und insbesondere senkrecht zur Achse 16 der Brennkammer 10 orientiert ist, feststellbar verschieblich ist. Bei Vergrößerung des Volumens des Resonatorraums 28 (welches das Produkt von Länge und Querschnittsfläche ist) wird die Resonatorfrequenz verringert.
Ein weiteres Beispiel für einen akustischen Resonator ist ein Helmholtz-Resonator, welcher in 4 schematisch gezeigt und dort mit 56 bezeichnet ist. Ein Helmholtz-Resonator umfaßt einen Resonatorraum 58, welcher beispielsweise teilweise in einer Röhre 60 gebildet ist. Die Röhre 60 ist über einen Hals 62 mit dem Innenraum 14 der Brennkammer 10 verbunden. Ein Innenraum 64 im Hals 62 ist auch Teil des Resonatorraums 58. Der Resonatorraum ist über eine Wand 65 geschlossen.
Der Hals 62 weist eine kleinere Querschnittsfläche als die Röhre 60 auf.
Durch gezielte Wahl bzw. Einstellung von einem oder mehreren akustischen Resonatoren 22 lassen sich die akustischen Eigenschaften der Brennkammer 10 einstellen. Die Einstellung erfolgt insbesondere derart, daß für pulsierende Vorgänge bei der Verbrennung in der Brennkammer 10 keine Kopplung mit Eigenmoden der Brennkammer 10 erfolgen kann.
Die Eigenmoden der Brennkammer 10 (ohne akustische Resonatoren 22) und die entsprechenden Eigenfrequenzen hängen von der geometrischen Form der Brennkammer 10 ab. Für eine ideale zylindrische Brennkammer 10 sind die Eigenfunktionen beispielsweise zylindrische Besselfunktionen.
Bei einer rotationssymmetrischen Brennkammer 10 mit Zylindergeometrie gibt es als Eigenmoden transverse Moden und Längsmoden (Axialmoden). Die Längsmoden tragen üblicherweise die Bezeichnung nL wie 1L, 2L usw. Die transversen Moden umfassen Radialmoden (R-Moden) und Tangentialmoden (T-Moden). Die Radialmoden werden üblicherweise mit der Bezeichnung nR wie 1R, 2R usw. versehen und die tangentialen Moden mit der Bezeichnung nT wie 1T, 2T usw.
Wenn der zylindrische Bereich 19 eine genügend große Höhe aufweist im Vergleich zu dem Halsbereich 20, dann sind auch hier die Eigenfunktionen in guter Näherung Besselfunktionen. Auch die Öffnungen 46 zu Resonatoren 22 haben einen relativ geringen Einfluß.
Die Eigenfrequenzen der Brennkammer 10 für die transversen (radialen und tangentialen) Eigenschwingungen sind in guter Näherung durch die Gleichung
bestimmt, wobei α_n,m Eigenwerte der Besselfunktionen sind und c_B die Schallgeschwindigkeit im Brennraum 14 ist; r ist der Radius des Brennraums 14.
(m-1) ist die Ordnung der radialen Eigenmode; n ist die Ordnung der tangentialen Eigenmode.
In 5 sind mit den durchgezogenen Linien Eigenfrequenzen einer zylindrischen Brennkammer mit einem Radius r = 0,1 m bei einer Schallgeschwindigkeit c_B = 343 m/s als Funktion der Resonatorlänge L normiert auf den Radius r des Brennraums 14 gezeigt, wobei ein Resonator 42 vorgesehen ist. Da die Eigenfrequenzen der Brennkammer 10 unabhängig von der Resonatorlänge L sind, sind die Eigenfrequenzen der Brennkammer 16 in 5 parallele Geraden. Die Bezeichnung T bedeutet, daß es sich um eine tangentiale Eigenmode handelt. Die Bezeichnung R bedeutet, daß es sich um eine radiale Eigenmode handelt. Die Zahl vor T bzw. R bedeutet die Ordnung der Eigenmode; 1T ist die erste tangentiale Eigenmode und 1R ist die erste radiale Eigenmode. 1R1T ist eine radial-tangentiale Eigenmode.
Die Eigenfrequenz eines Lambda-Viertel-Resonators ist
mit der Resonatorlänge L und der Schallgeschwindigkeit c_R im Resonator. I ist die Ordnungszahl der Eigenmoden des Lambda-Viertel-Resonators, wobei I = 1 dem Grundton entspricht, I = 2 ist der erste Oberton, I = 3 ist der zweite Oberton usw.
In 5 ist die Frequenzabhängigkeit der Eigenfrequenz eines solchen Lambda-Viertel-Resonators 42 in Abhängigkeit der Länge L und der Ordnung I gezeigt. Da die Länge L im Zähler der Eigenfrequenz steht, sind die entsprechenden Funktionen parallel beabstandete Hyperbeln.
Wenn der Resonator 42 auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer 10 abgestimmt ist, dann entsprechen sich die Frequenzen. Die Abstimmung erfolgt durch gezielte Wahl bzw. Einstellung der Länge L eines Resonators 42. In 5 ist ein Resonator 42 mit seinem Grundton (I = 1) über Einstellung der Länge L auf L₁ auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) abgestimmt. Bei dieser Länge L₁ ist das Verhältnis L₁ zu r ca. 0,85. c_R/c_B.
Man erkennt aus 5, daß bei dieser Einstellung nur die erste tangentiale Eigenmode (1T) gedämpft ist. Um weitere Eigenmoden zu dämpfen, sind weitere Resonatoren notwendig, die auf die zu dämpfenden Eigenmoden abgestimmt werden müssen.
Es ist auch möglich, daß ein Lambda-Viertel-Resonator bei einer Kopplung zwischen Brennkammer und Resonator als Lambda-Halbe-Resonator oszillieren kann. Die entsprechende Eigenfrequenz ist
Die entsprechenden Resonanzfrequenzen sind in 5 ebenfalls gezeigt.
Bei dem Diagramm gemäß 5 ist davon ausgegangen, daß die Schallgeschwindigkeit in dem Brennraum 14 und in einem Resonator 42 die gleiche ist, das heißt daß C_R = C_B ist. Grundsätzlich ist das Verhältnis F = c_R/c_B eine Funktion der Zeit nach dem Brennerstart, wobei bei genügendem zeitlichen Abstand F = 1 ist.
Man benötigt deshalb zusätzliche Resonatoren, um während der Startphase zeitlich veränderliche Eigenmoden dämpfen zu können.
Wie aus 5 ersichtlich ist, sind beispielsweise zur Dämpfung der ersten bis dritten tangentialen Eigenmode (mindestens) drei Resonatoren mit Längen gemäß untenstehender Tabelle notwendig:

Eigenmode L/r

1T cR/cB·0,85

2T cR/cB·0,5

3T cR/cB·0,35
Für transiente Vorgänge, bei denen sich das Verhältnis F zeitlich ändert, sind weitere Resonatoren zur Dämpfung von transienten Eigenmoden vorzusehen.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Resonator mit einem Oberton (I ≥ 2) auf eine oder mehrere Eigenmoden der Brennkammer 10 abgestimmt, das heißt nicht mit seinem Grundton (I = 1) auf eine Eigenmode abgestimmt, wie es anhand 5 erläutert wurde.
Das Resultat der erfindungsgemäßen Lösung ist in 6 schematisch gezeigt. Dort ist ein Resonator 42 über seine Länge L mit seinem ersten Oberton (I = 2) auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer 10 abgestimmt. Daraus ergibt sich eine Länge L₂ des Resonators 42, welche bei ca. F. 2,58 liegt. Diese Länge ist ca. dreifach größer als die Länge L₁.
Wie aus 6 ersichtlich ist, liegt ein solcher Resonator mit seinem zweiten Oberton (I = 3) in Resonanz mit der zweiten tangentialen Eigenmode (2T) und mit seinem dritten Oberton (I = 4) in Resonanz mit der dritten tangentialen Eigenmode (3T) der Brennkammer 10. Dadurch werden auch diese Eigenmoden effektiv gedämpft.
Es lassen sich also durch einen einzigen Resonator 42, welcher mit seinem ersten Oberton auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer 10 abgestimmt ist, über den zweiten Oberton auch die zweite tangentiale Eigenmode (2T) und über den dritten Oberton auch die dritte tangentiale Eigenmode (3T) der Brennkammer 10 effektiv dämpfen.
In 6 ist auch ersichtlich, daß beispielsweise bei L₃ = 3,65 der dritte Oberton in Resonanz mit der 2T-Eigenmode steht und der vierte Oberton des Resonators 42 in Resonanz mit der 1R-Mode steht. Bei dieser Einstellung eines Resonators 42 lassen sich also gleichzeitig die 2T-Eigenmode und die 1R-Eigenmode dämpfen.
Nach dem oben beschriebenen Prinzip, bei dem ein Oberton, auf eine Eigenmode abgestimmt wird, lassen sich beispielsweise auch longitudinale Moden (L-Moden) dämpfen.
In 7 ist die Mikrofonspannung U des Mikrofons 36 als Funktion der Resonatorlänge L (normiert auf den Brennraumradius r) in verschiedenen Anregungsfrequenzbereichen gezeigt. Die Anregung erfolgte über den Lautsprecher 30. Mit Kreisen als Meßpunkte dargestellt ist die erste tangentiale Eigenmode (1T), welche durch eine Anregung in einem Frequenzbereich zwischen 947 Hz und 1061 Hz erzeugt wurde. Mit Dreiecken als Meßpunkte dargestellt ist die zweite tangentiale Eigenmode (2T), welche durch Anregung in einem Frequenzbereich zwischen 1637 und 1710 Hz erzeugt wurde. Weiterhin dargestellt mit Quadraten als Meßpunkte ist die dritte tangentiale Eigenmode (3T), welche durch die Anregung in einem Frequenzbereich zwischen 2286 und 2387 Hz erzeugt wurde.
Man erkennt, daß sich, wenn der Resonator 42 auf die Länge L₁, wie oben beschrieben, eingestellt wird, dann die erste tangentiale Eigenmode effektiv dämpfen läßt. Die zweite tangentiale Eigenmode und die dritte tangentiale Eigenmode werden jedoch nicht ausreichend gedämpft.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung, bei welcher der Resonator 42 mit einem Oberton (insbesondere seinem ersten Oberton) auf die erste tangentiale Eigenmode eingestellt ist, lassen sich, wie in 7 ersichtlich ist, sowohl die erste tangentiale Eigenmode als auch die zweite tangentiale Eigenmode und auch die dritte tangentiale Eigenmode effektiv dämpfen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mindestens ein Resonator 22 in Resonanz mit einem Oberton auf eine Eigenmode der Brennkammer 10 abgestimmt. Insbesondere wird der erste Oberton auf die erste tangentiale Eigenmode abgestimmt. Dadurch lassen sich auch effektiv die zweite tangentiale Eigenmode über Resonanz mit dem zweiten Oberton und die dritte tangentiale Eigenmode über Resonanz mit dem dritten Oberton dämpfen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich deshalb die Anzahl der benötigten Resonatoren 22 der Resonatoreinrichtung 21 reduzieren, da mit einem Resonator mehrere Eigenmoden effektiv gedämpft werden können, bzw. es läßt sich mit einer gleichen Anzahl von Resonatoren 22 (bezogen auf den Fall, daß Resonatoren mit ihrem Grundton auf Eigenmoden der Brennkammer 10 abgestimmt sind) eine effektivere Dämpfung erreichen.
Da ein Resonator 22 üblicherweise nur in einem begrenzten Raumbereich des Brennraums 14 wirkt, müssen um die Brennkammer 10 verteilt eine Mehrzahl von Resonatoren 22 angeordnet werden. Da sich, wie oben erwähnt, das Verhältnis F während der Startphase der Brennkammer 10 stark ändert, sind zusätzliche Resonatoren 22 notwendig, um Brennkammerschwingungen auch in einer transienten Phase unterdrücken zu können. Es ist beispielsweise bekannt, 48 Resonatoren an einer Brennkammer anzuordnen. Da der zur Verfügung stehende Raum um eine Brennkammer begrenzt ist, läßt sich die Anzahl der Resonatoren nicht beliebig erhöhen; wenn eine große Anzahl von Resonatoren benötigt wird, dann muß der Durchmesser von Resonatorräumen entsprechend verringert werden. Dadurch wiederum verringert sich die dämpfende Wirkung der Resonatoren.
Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich die Anzahl der Resonatoren verhältnismäßig gering halten mit hoher Dämpfungseffektivität.
Weiterhin ist die Einstellbarkeit erleichtert, da mit einem Resonator, welcher mit einem Oberton auf eine Eigenmode abgestimmt ist, sich auch weitere Eigenmoden effektiv dämpfen lassen.

Claims

Brennkammer mit einem Brennraum (14) und einer Resonatoreinrichtung (21), welche eine oder mehrere Resonatoren (22) umfaßt und zur Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer dient, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Resonator (22) mit einem Oberton und nicht mit seinem Grundton auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt ist.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung über Einstellung der geometrischen Abmessungen eines Resonatorraums (28) des mindestens einen Resonators (22) erreicht ist.
Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Resonatorraums (28) eingestellt ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator ein Lambda-Viertel-Resonator (42) ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator (22) ein Helmholtz-Resonator (56) ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Oberton des mindestens einen Resonators (22) eingestellt ist, daß mindestens näherungsweise mindestens ein weiterer Oberton in Resonanz mit einer weiteren Eigenmode (2T; 3T) der Brennkammer steht.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Oberton des mindestens einen Resonators (22) eingestellt ist, daß mindestens näherungsweise eine Mehrzahl von weiteren Obertönen in Resonanz mit weiteren tangentialen Eigenmoden (2T; 3T) der Brennkammer steht.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberton des mindestens einen Resonators (22) auf eine Eigenmode (1T) der Brennkammer abgestimmt ist.
Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Oberton mindestens näherungsweise in Resonanz mit einer weiteren Eigenmode (2T) steht.
Brennkammer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Oberton mindestens näherungsweise in Resonanz mit einer weiteren Eigenmode (3T) steht.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator (22) auf die erste tangentiale Eigenmode (1T) der Brennkammer abgestimmt ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator (22) eine Röhre (44) aufweist, in welcher ein Resonatorraum (28) gebildet ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (14) mindestens außerhalb eines Halsbereichs (20) zylindrisch ausgebildet ist.
Brennkammer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand bezogen auf eine Brennkammerachse (16) zwischen der Resonatoreinrichtung (21) und dem Halsbereich (20) größer ist als der Durchmesser (2r) des Brennraums (14) im zylindrischen Bereich (19).
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Öffnung (46) vorgesehen ist, an welcher der mindestens eine Resonator (22) angeordnet ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator (22) mindestens teilweise radial orientiert ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinrichtung (21) an einer Außenseite (26) der Brennkammer angeordnet ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Resonatoren (22) ringförmig an der Brennkammer angeordnet ist.
Brennkammer nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Resonatoren (22) auf gleicher Höhe bezogen auf eine Brennkammerachse (16) angeordnet sind.
Verfahren zur Einstellung der akustischen Eigenschaften einer Brennkammer, bei dem die Brennkammer mit einem oder mehreren Resonatoren versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Resonator mit einem Oberton und nicht mit seinem Grundton auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung so durchgeführt wird, daß mehrere Obertöne mindestens näherungsweise in Resonanz mit unterschiedlichen Eigenmoden stehen.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberton des mindestens einen Resonators auf eine Eigenmode der Brennkammer abgestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator mit einem Oberton auf eine tangentiale Eigenmode der Brennkammer abgestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Resonator auf die erste tangentiale Eigenmode der Brennkammer abgestimmt wird.