M. Schulze, D. Morgenweck, T. Sattelmayer

Seit Beginn der Raketenentwicklung stellt das Phänomen der thermoakustischen Instabilitäten einen sicherheitskritischen Aspekt dar, dessen Bewältigung unter Umständen zu drastisch steigenden Kosten im Entwicklungs- und Fertigungsprozess führen kann. Diese Verbrennungsschwingungen basieren auf einem Rückkopplungsmechanismus zwischen dem Verbrennungsprozess und akustischen Störungen in der Brennkammer. Akustische Störungen führen zu periodisch fluktuierenden Drücken und Temperaturen, die zum Verlust der strukturellen Integrität der Brennkammerwände führen können, was katastrophale Folgen während des Betriebs bedingen kann. Bisherige Forschungsarbeiten haben ergeben, dass in zylindrischen Brennkammergeometrien die ersten beiden Transversalmoden hauptverantwortlich für Verbrennungsschwingungen sind. Es ist daher von großem Interesse, diese Modenformen geeignet zu dämpfen und somit die potentielle Gefährdung für das Auftreten von Instabilitäten zu reduzieren. Am Lehrstuhl für Thermodynamik der Technischen Universität München wird seit geraumer Zeit im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR-40 "Technologische Grundlagen für den Entwurf thermisch und mechanisch hochbelasteter Komponenten zukünftiger Raumtransportsysteme" der Deutschen Forschungsgemeinschaft eine Methodik entwickelt, um in numerischen Simulationen so genannte akustische Absorber berechnen zu können. Diese sind notwendig um durch akustische Dämpfung die thermoakustische Rückkopplung zu stabilisieren. Eine am Lehrstuhl für Thermodynamik entwickelte Impedanzrandbedingung ermöglicht die adäquate Einbindung der Absorber in die Simulation. An einem generischen Testfall einer typischen Brennkammergeometrie mit Düse und ohne Verbrennung wurden bereits erste Simulationen durchgeführt, so dass der Einfluss weiterer Komponenten auf ein Minimum reduziert werde konnte. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die entwickelte Methodik in der Lage ist, gezielt Modenformen zu dämpfen ohne dabei das Systemverhalten im Gesamten merklich zu beeinflussen.

"Since the beginning of rocket development, the phenomenon of thermoacoustic instabilities has represented a safety-critical aspect, the management of which can potentially lead to drastically increased costs in the development and manufacturing process. These combustion vibrations are based on a feedback mechanism between the combustion process and acoustic disturbances in the combustion chamber. Acoustic disturbances lead to periodically fluctuating pressures and temperatures, which can result in a loss of the structural integrity of the combustion chamber walls, potentially causing catastrophic consequences during operation. Previous research has shown that in cylindrical combustion chamber geometries, the first two transverse modes are primarily responsible for combustion vibrations. It is therefore of great interest to effectively dampen these mode shapes and thus reduce the potential risk of instabilities occurring. At the Chair of Thermodynamics at the Technical University of Munich, a methodology has been under development for some time within the framework of the Collaborative Research Center TRR-40 "Technological Foundations for the Design of Thermally and Mechanically Highly Stressed Components of Future Space Transportation Systems" funded by the German Research Foundation (DFG). This methodology enables the calculation of so-called acoustic absorbers in numerical simulations. These absorbers are necessary to stabilize thermoacoustic feedback through acoustic damping. An impedance boundary condition developed at the Chair of Thermodynamics allows for the appropriate integration of the absorbers into the simulation. Initial simulations have already been carried out on a generic test case of a typical combustion chamber geometry with a nozzle and without combustion, thus minimizing the influence of other components. These simulations demonstrated that the developed methodology is capable of selectively damping mode shapes without significantly affecting the overall system behavior."

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2012, Berlin

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2012

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 7 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201210104772

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10.10.2012