Untersuchungen zur Wechselwirkung von Akustik und Verbrennung an einer LOX/H2-Modellbrennkammer

Transkript

1 DLR Workshop DIV 1 Diagnostik in Verbrennungen Göttingen, 5. bis 6. Oktober 2005 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Akustik und Verbrennung an einer LOX/H2-Modellbrennkammer Bernhard Knapp, Silke Anders, Michael Oschwald Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Raumfahrtantriebe Hardthausen Institut für Raumfahrtantriebe 1

2 Motivation und Ziel Motivation HF-Verbrennungsinstabilitätsprobleme bei fast allen Entwicklungsprogrammen in USA, Japan, Russland, Europa bis heute keine befriedigendes Verständnis der der grundlegenden Wechselwirkungen von Akustik und BK-Prozessen (Zerstäubung, Verdampfung, Verbrennung...) Ziel Verstehen der physikalischen Prozesse und Kopplungsmechanismen bei Verbrennungsinstabilitäten in Raketentriebwerken mit flüssigen Treibstoffen Entwicklung von physikalischen Modellen und Vorhersage-Tools Konstruktive Maßnahmen zur Stabilitätsverbesserung (Baffles, Cavities,...) Institut für Raumfahrtantriebe 2

3 Mechanismus für f r akustische Verbrennungsinstabilitäten ten Brennkammerprozesse Einspritzung Zerstäubung Verdampfung Mischung Verbrennung Druckschwankungen p Phasenbeziehung Druck wenn ϕ = 0 p q Rayleigh Kriterium 2π p q dt dv > 0 Resonanz Wärmefreisetzung 0 Schwankungen in der Wärmefreisetzung q momentane Einspritzrate lokale Verdampfungsrate chemische Reaktionsrate Einfluss einer akustischen Welle auf den Verbrennungsprozess akustischer Druck akustische Geschwindigkeit??? Zerstäubung Verdampfung Mischung Institut für Raumfahrtantriebe 3

4 Versuchsaufbau dynamischer + statischer Druck α Sekundärdüse Frequenz (Hz) dynamischer Druck 500 Hz/s Zeit (s) Sekundärdüse Koaxialinjektor mit dynamischen Domdrucksensoren Spülmodul T-Sensor OH + Spray Fenster Blindmodul Zünder Photomultiplier Hauptdüse GH2 LOX GH2 Institut für Raumfahrtantriebe 4

5 Sekundärdüse (SN) Optische Diagnostik OH-Kamera Sensor 10 2 Hochgeschwindigkeitskameras Spray Photron Ultima 1024 C Bilder/s Auflösung 256x32 pixel OH-Flammenemission Photron Ultima I2 Interferenzfilter 307 nm Bilder/s Auflösung 128x64 pixel Ultima 1024 α UV-Kamera Ultima I 2 Interferenzfilter λ = 307 nm Photomultiplier (OH-Flammenemission), (35 khz) Videokamera (50 Hz) Fenster Linse Spraykamera Linse Blende Linse Richtleuchte Institut für Raumfahrtantriebe 5 Brennkammer Photomultiplier

6 Versuch 04_08_20_03 Sensor CCPD05DM 8000 Auswertung Antwort der Brennkammer auf eine Störung (Anregung) Druckschwingungen (dyn. Drucksensoren 35 khz) Druckspektrum (Druckschwankung p =Δp/P C ) gleitende FFT-Analyse Spektrogramm dyn. Druck (bar) Frequenz (Hz) ,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0, Zeit (s) Wärmefreisetzungsschwingungen (HS-Videos 27 khz) Grauwerte (Intensitätsschwankung q =ΔI/I) FFT-Analyse Spektrogramm Orientierung der Moden Responsefaktor N=q /p Institut für Raumfahrtantriebe 6

7 1T 2T Einfluss von Cavities Unterschied ohne / mit Cavity 1Tπ 2Tσ 2Tπ Sekundärdüse ohne Cavity: keine ausgezeichnete Orientierung OH + Spray Frequenz (Hz) mit Cavity: "Aufspaltung" der 1T Mode 1T 05_06_29_01 Sensor 05 05_06_27_08 2Tσ Frequenz im Heißversuch (Hz) R 2Tπ 1Tπ 3Tσ 2Tσ Länge der Cavity (Sekundärdüse) Photomultiplier Zeit (s) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 ohne Sekundärdüse mit Sekundärdüse Längen-/ Durchmesserverältnis L cavity / R CRC Institut für Raumfahrtantriebe 7 Fenster Frequenz im Kaltversuch (Hz)

8 PD16 Orientierung der Moden Rampe 100Hz/s 0,4 0,2 1R 3T 4T 0,0 Sensor 05-0,2 2Tσ Stickstoff 03_11_05_02a 5T 2R Versuch Stickstoff 03_11_05_02 Sensor 05 Sensor 09 Sensor 11 Sensor 16 0,15 dynamischer Druck (bar) Druck (bar) PD05 0,0 Sensor 09-0,4 6T 0,0 Sensor 11-0,4 0, ,20-0, ,25 0,2 PD09 α α/2 02 1L -0,4 0,2-0,2 10 Kn ot en lini e Kaltversuche (1) Beispiel Mode PD ,10 0,05 0,00-0,05-0,10-0,15 0,0-0,20 Sensor 16-0,2-0, Institut für Raumfahrtantriebe 20 Zeit (s) Gradient 100 Hz/s -0,25 1,620 1,621 1,622 1,623 1,624 1,625 1,626 1,627 1,628 1,629 1,63 Zeit (s) 8

9 Kaltversuche (2) Resonanzprofile (hochaufgelöst) T und R Mode sind gut anzuregen 3,5x ,0x10-11 Rampe 50 Hz/s Kaltversuch 05_04_05_22 Mode mit Lorentz Fit Lorentz Profil 2,5x10-11 Profile stark strukturiert durch zusätzliche Resonanzkörper (Bohrungen, Vertiefungen, Spalte,??) Halbwertsbreite Γ als Maß für Dämpfung gleiche Profile in Heißtests Power (a.u.) 2,0x ,5x ,0x ,0x , Frequenz (Hz) Institut für Raumfahrtantriebe 9 2Tσ

10 4,0x ,5x10-12 Heißversuch 04_08_20_03 Sensor CCPD05DM FFT Fenster s SN pos. 12 3,0x10-12 Heißversuche Versuch 04_08_20_03 Sensor CCPD05DM Amplitude (a.u.) 2,5x ,0x ,5x ,0x Tσ ,0x10-13 dyn. Druck (bar) Frequenz (Hz) R 2Tσ 0 0,3 0,010 0,2 0,1 0,0 0,005-0,1-0,2-0,3 0,000-0, Anregungsdauer (ms) Zeit (s) Institut für Raumfahrtantriebe 10 Amplitude Δp C (a.u.) 0, Frequenz (Hz) 0,025 0,020 0,015 Brennkammerdruck p C = 5,3 bar p C = 1,5 bar p C = 1,3 bar p C = 1,1 bar Druckamplituden bei 1T Resonanz Graph2 / Kalt Rampe Amplitude.OPJ

11 PD14 Sekundärdüse Messung der Wärmefreisetzung: OH-Flammenemission und externe Anregung Anregung 90 relativ zum Injektor Druckknoten 1T Anregung 180 relativ zum Injektor OH PD Photomultiplier Institut für Raumfahrtantriebe 11

12 1Tπ 2D-Verteilung der Intensitätsschwankung 0,0006 Position 01 di/i 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 C Position Mitte 0,0006 0,0005 0, Position 09 HS-Aufnahme Dauer ca. 2 sec di/i 0,0005 0,0004 0,0003 1Tπ 0,0002 0,0001 0, Frequenz [Hz] 1 1 0, Frequenz [Hz] C di/i 0,0003 1Tπ 0,0002 0,0001 0, Frequenz [Hz] 9 Rampe regt und 1Tπ an Hinweis auf Druckkopplung 3 σ auf Pos. 5 sehr hoch 7 π auf Pos. 1 und 9 hoch π auf Pos. 5 so hoch wie 9 Geschwindigkeitsschwankung 0,0006 0,0005 0,0004 Frequenz [Hz] bei und 1Tπ an diesen Orten niedrig! di/i 0,0003 Position 05 0,0006 0,0002 0,0005 0,0001 0, , ,0003 0,0002 0,0001 0,0006 0,0005 0,0004 1Tπ 0,0003 0,0002 0,0001 0, Frequenz [Hz] Institut für Raumfahrtantriebe Frequenz [Hz] 12 3 Position 03 di/i 0, di/i 7 Position 07

13 Frequenz (Hz) Unterstützung der OH-Analyse mit Photomultiplier ,5000 1,046 2,187 4,573 9,564 20,00 Amplitude Zeit (s) Versuch 05_07_04_10 Sensor CCPHMP 2Tσ 3T Punktmessung in zusätzlichem Fenster OH-Kamera Sekundärdüse (SN) Sensor 10 Photomultiplier Institut für Raumfahrtantriebe 13 Interferenzfilter ( nm) Antwort der Brennkammer Rampe sichtbar und 2Tσ Mode sichtbar Oberschwingung regt 3T Mode an

14 PD14 Sekundärdüse Vergleich Druck- und OH- Intensitätsschwankung OH Photomultiplier Druckknoten 1T OH-Emission bei 1T Resonanz gute Übereinstimmung der FFT-Druckund Intensitätsspektren, ϕ=0 Lage der Druckknotenlinie bekannt I(t) schwache OH Amplitude externe Anregung 90 Einspritzvorgang unterhalb der Druckknotenlinie keine oder schwache Druckkopplung gleiche Frequenz von OH und p dyn nicht verträglich mit Kopplung an Geschwindigkeitsfeld da Druck (bar) 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05-0,10-0,15 3 sec / 3kHz / Gradient 400 Hz/s / 5,4 khz / 9 sec -0,20 Anregung 90 (Pos. 13) Sensor PD05-0,25 Sensor PD ,0 5081,5 5082,0 5082,5 5083,0 5083,5 5084,0Photomultiplier 5084,5 5085,0 Zeit (ms) OH-Kamera Institut für Raumfahrtantriebe 14 PD05 Heißversuch 04_08_19_02 OH Intensität (a.u.)

15 0,007 0,006 externe Anregung 90 relativ zu Injektor Heißversuch 04_08_19_02 mittlere OH-Intensität (geglättet) Druck- oder Geschwindigkeitskopplung? 90 Anregung p vs v-kopplung Betrag der Geschwindigkeit v = 2ω doppelte Frequenz bei der Geschwindigkeit Amplitude (a.u.) 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0, Frequenz (Hz) 1,5 1,0 Antwort der Brennkammer: doppelte Frequenz von I nein Druck Betrag der Geschwindigkeit 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Druck Geschwindigkeit v Betrag v Geschwindigkeit 0 π/2 π 3/2π 2π Druckfeld Geschwindigkeitsfeld Institut für Raumfahrtantriebe 15 Injektor Fenster Spray Knotenlinie Fenster Injektor? Spray? Tropfen v v Fenster

16 Streifen Lokale OH-Intensität Flammenbreite Flamme Injektor Fenster ΔI/I als Funktion des Injektorabstands mit Variation der Anregungsposition Intensität Hinweise auf Druckkopplung _08_12_07 pos _08_12_03 pos Anregung zeigt hohe Intensitätsschwankung _08_11_04 pos _08_20_02 pos _08_19_04 pos _08_20_03 pos _08_10_02 pos Anregung zeigt geringe Amplituden Δ I / I ,5 04_08_11_01 pos _08_19_02 pos. 13 relative Intensitätsschwankung nimmt ab mit zunehmendem Injektorabstand Abstand zum Injektor (mm) Institut für Raumfahrtantriebe 16

17 Response Faktor N (-) Response Faktor N Antwort auf eine Störung als Funktion von R OF Position der Anregung über die Sekundärdüse 4,7 5,7 5,7 4,8 4,7 4,2 4,3 Position relativ zum Injektor: N = V 2π 0 V p ( V, t) q ( V, t) dt dv 2π 0 [ p ( V, t)] 4,2 5,4 3,8 dt dv Verhältnis der relativen Intensitätsschwankung zur relativen Druckschwankung ΔIOH IOH N = k Δp P cosϕ k wegen unterschiedlicher Abtastraten von p und I (FFT) Hinweis auf Druckkopplung Institut für Raumfahrtantriebe 17 2 p = q = q CRC p max max q N = p N = k sin( ωt) sin( ωt + ϕ) max max I p max cosϕ max cosϕ

18 Heißversuch 05_06_28_10 5,0 Anregung 90 rel. zu Injektor dizui 4,5 4,0 Fehler durch Übersteuerung Programm Gaincheck 8 Bit Informationsgrenze Bilder im schwarzen Bereich zu hell und im weißen Bereich zu dunkel ΔI / I 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Streifen Verfälschung von ΔI/I, da zu hohe Helligkeit ΔI/I wird zu klein Verbesserung 1. Gain verkleinern 2. Blende vergrößern Institut für Raumfahrtantriebe 18

19 Störfrequenzen bei HS-OH-Videos Überlagerung von Störfrequenz und Rampe auch ohne Verbrennung sichtbar Elektronisch bedingt (Bildverstärker) mit zunehmendem Gain sinkt Störfrequenz Störungen mit zunehmender Frame Rate steigt Störfrequenz Rampe Institut für Raumfahrtantriebe 19

20 Zusammenfassung Ergebnisse Orientierung der Moden in Kalt- und Heißversuchen nach Position der stärksten Anregung Rückschlüsse auf Wärmefreisetzung während Resonanz über OH-Eigenleuchten klare Hinweise auf Kopplung der Wärmefreisetzung mit dem Druck Anregung 90 relativ zu Injektor: ω Flamme 2 ω Druck (keine Geschwindigkeitskopplung) lokale Intensitätsschwankung bei 180 Anregung in Injektornähe am höchsten Responsefaktor bei 180 Anregung am größten Verifikation der Ergebnisse durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit großem Fenster (gesamter Brennkammerdurchmesser) Institut für Raumfahrtantriebe 20