Die Erfindung betrifft einen adaptiven Schwingungsdämpfer.

Bei der Verbrennung von Brenngas in einem vollvormischenden Verbrennungssystem können in bestimmten Betriebspunkten unerwünschte selbsterregte Verbrennungsschwingungen auftreten. Diese sind zumeist mit für den Betreiber unangenehmen Geräuschen verbunden und können unter bestimmten Umständen zu einer Beschädigung der Anlage führen.

Das Phänomen ist in DE 102004013584 A1 sowie dem VDI-Fortschrittsbericht Nr. 364 der Reihe 6 für Energietechnik beschrieben. Auslöser für die selbsterregten Schwingungen (SES) sind Wechselwirkungen zwischen der zeitlichen Leistungsfreisetzung der Flamme und der Akustik der Brennkammer. Bedingung für die Entstehung des beschriebenen Phänomens ist die zeitliche Leistungsfreisetzung der Flamme zum Zeitpunkt einer positiven Schalldruckamplitude (Rayleigh-Kriterium). Abstellmaßnahmen sind aus DE 19730254 C2 bekannt.

Gemäß dem Stand der Technik wird das Problem zumeist dadurch gelöst, die Geometrie der Luft- und Brenngas-Luft-Gemisch-führenden Teile so zu gestalten, dass das System akustisch verstimmt wird und somit möglichst keine selbsterregten Schwingungen auftreten. Dabei werden beispielsweise zusätzliche Bauteile im Luft- oder Abgasweg eingesetzt, die die Funktion haben, das System zu verstimmen und somit selbsterregte Schwingungen zu verhindern oder zu dämpfen. Hierzu dienen beispielsweise Ansaugrohre, welche den Druckverlust stromauf der Flamme erhöhen oder ein Helmholtz-Resonator. Abhängig von den geometrischen Kenngrößen des Helmholtz-Resonators hat dieser eine bestimmte Eigenfrequenz, bei der er wirkt. Schwingungen des Verbrennungssystems werden gedämpft oder gänzlich verhindert.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei einem elektronischen Brenngas-Luft-Verbund beim Auftreten von Schwingungen den Luftüberschuss oder die Wärmebelastung zu verändern.

Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieben derselben, mit denen selbsterregte Schwingungen bei vollvormischenden Verbrennungssystemen abgestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird dies durch einen individuell anpassbaren Helmholtz-Resonator gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung findet bevorzugt bei elektronischen Brenngas-Luft-Systemen Anwendung, bei denen ein Massenstromsensor, der eine Druckdifferenz zwischen Luftweg und Brenngasweg misst, verwendet wird. Mit Hilfe des Massenstromsensors können selbsterregte Schwingungen nicht nur detektiert, sondern bei ausreichend hoher Abtastrate auch bezüglich der Frequenz der Schwingung bestimmt werden. Mittels einer Fourier-Transformation wird das gemessene Sensorsignal in den Frequenzbereich überführt.

Gegenstand der Erfindung ist zudem ein in seiner Wirkfrequenz anpassbarer Helmholtz-Resonator. Die Frequenz, bei der ein Helmholtz-Resonator wirkt, wird durch seine geometrische Dimensionierung definiert. Einflussgrößen sind zum einen das dämpfende Volumen im eigentlichen Körper, als zum anderen auch das schwingende Volumen im Anbindungskanal.

So kann beispielsweise bei einem geschlossenen Zylinder, der über einen entsprechend ausgelegten Anbindungskanal mit dem Verbrennungssystem an der entsprechenden vorher zu ermittelnden Wirkstelle verbunden oder an dieser Position in das Verbrennungssystem integriert ist, die Veränderung einer Seitenlänge des Helmholtz-Resonators dadurch eingestellt werden, dass die Position des Bodens des Zylinders entlang der Symmetrieachse mittels geeigneter Elektromechanik (z.B.Stellmotor) verändert werden kann. Aus der ermittelten Frequenz der aufgetretenen Schwingung wird die erforderliche Seitenlänge des Zylinders ausgerechnet und so verändert, dass sich diese Seitenlänge einstellt.

Die Erfindung schützt ein Regelungssystem, das mithilfe eines Sensors die Frequenz einer selbsterregten Schwingung ermittelt und einen anpassbaren Helmholtz-Resonator derart einstellt, dass die Schwingung abgestellt wird. Das System benötigt dafür ein Gasregelventil, ein regelbares Gebläse und einem Brenner.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigen:

• Figur 1 einen Helmholtz-Resonator,
• Figur 2 eine erste Ausführungsform eines Verbrennungssystems mit einem erfindungsgemäßen Helmholtz-Resonator und
• Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines Verbrennungssystems mit einem erfindungsgemäßen Helmholtz-Resonator.

Figur 1 zeigt einen zylindrischen Helmholtz-Resonator 2 mit zwei zylindrischen Volumina. Das erste zylindrische Helmholz-Resonator-Volumen 17 verfügt über eine Länge l₁ sowie einen Radius r₁. Das erste zylindrische Helmholz-Resonator-Volumen 17 ist beidseitig geöffnet und mündet auf der einen Seite in das zweite zylindrische Helmholz-Resonator-Volumen 18, das über eine Länge l₂ sowie einen Radius r₂ verfügt.

Die Eigenfrequenz f₀ dieses Helmholtz-Resonators lässt sich wie folgt bestimmen. $$f_0=\frac{c}{2\pi }\sqrt{\frac{A_1}{V_2\left(l_1+2\cdot {\mathrm{\Delta }\mathit{l}}_1\right)}}$$

Hierbei sind c die Schallgeschwindigkeit, A₁ die Querschnittsöffnung des Eingangs des Helmholtz-Resonators (hier: A₁ = r₁² * π), V₂ das Volumen des zweiten Helmholz-Resonator-Volumens 18 (hier: V₂ = r₂² * π *l₂) und 2 *Δl₁ die Mündungskorrektur (hier: ${\mathrm{\Delta }\mathit{l}}_1\approx \frac{\pi }{4}\cdot r_1$).

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße verbrennungstechnische Anlage mit einem Brenner 11 und einem Gebläse 10 in einer Frischgasführung 14. Das Gebläse 10 saugt Verbrennungsluft an und führt sie dem Brenner 11 zu. Stromauf des Gebläses 10 mündet eine Brenngasführung 15 in einen Venturi 3 in die Frischgasführung 14, in der ein Brenngasregelventil 9 vor der Mündung angeordnet ist. Ein Massenstromsensor 1 ist zwischen der Brenngasführung 15 und der Frischgasführung 14 angeordnet und dient der Anpassung des Brenngas-Luft-Gemischs. Stromauf des Venturis 3 ist ein aus Figur 1 bekannter zylindrischer Helmholtz-Resonator 2 mit der Frischgasführung 14 verbunden. Die Anbindung des Helmholtz-Resonators 2 muss an einer vorher zu ermittelnden Wirkstelle / Wirkposition erfolgen. Der Helmholtz-Resonator 2 verfügt über einen verschiebbaren Resonatorzylinder 4 im zweiten zylindrischen Helmholz-Resonator-Volumen 18, so dass dessen Volumen kontinuierlich verstellt werden kann. Zum Verschieben des Resonatorzylinders 4 dient ein Linearschrittmotor 5, der über eine Antriebswelle 6 in Form einer Gewindestange und ein Innengewinde 7 in dem Resonatorzylinder 4 letztgenannten verschieben kann. Um ein Drehen des Resonatorzylinders 4 zu verhindern, ist eine Verdrehsicherung vorgesehen. Ein Ultraschall- oder Laserwegmesser 8 dient der Erfassung der aktuellen Länge des zweiten zylindrischen Helmholz-Resonator-Volumens 18. Der Resonatorzylinder 4 schließt gasdicht zu den Seitenwänden des zweiten zylindrischen Helmholz-Resonator-Volumens 18 ab. Die dafür notwendige Dichtung kann beispielsweise als Lippendichtung oder Ringdichtung ausgeführt sein. Eine Regelung 16 ist mit dem Gebläse 10, dem Brenngasregelventil 9, dem Massenstromsensor 1, dem Linearschrittmotor 5 sowie dem Ultraschall- oder Laserwegmesser 8 verbunden.

Treten beim Betrieb der Anlage selbsterregte Verbrennungsschwingungen auf, so führt dies zu einer Rückkopplung auf den Verbrennungs- und Brenngasfluss, so dass der Massenstromsensor 1 die Schwingungen erfasst. Da in der Praxis das Signal des Massenstromsensors 1 stets von diversen Frequenzen überlagert wird, müssen für die Notwendigkeit zur Durchführung von Abstellmaßnahmen Schwellwerte für die Intensität der Schwingungen überschritten werden.

Zuerst werden N Werte des Sensorsignals mit einer Abtastrate f aufgezeichnet. Die Abtastrate muss dabei doppelt so hoch sein wie die erwartete maximale Frequenz. Um eine schnelle Fourier-Transformation-Analyse anwenden zu können, muss die Anzahl N der Werte einer Zweierpotenz entsprechen.

Der Algorithmus für eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) basiert auf der diskreten Fourier-Transformation. Für N reele Abtastwerte werden N/2 Frequenz- bzw. Spektrallinien F(iω_k) berechnet: $$F\left({\mathit{i\omega }}_k\right)=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{n=0}^{N-1}}f\left(t_n\right)\cdot e^{-i2\mathit{\pi kn}/N}$$ mit k = 0,1,... ... ..,N-1

Die Frequenz mit der höchsten Auslenkung wird als Frequenz der selbsterregten Schwingung festgelegt und weiter verarbeitet. Anschließend wird aus dieser ermittelten Frequenz der Verbrennungsschwingung die erforderliche Höhe des Resonatorzylinders ermittelt. Für die Eigenfrequenz f₀ des Helmholtz-Resonators gilt (unter Bezug auf Figur 1, siehe oben): $$f_0=\frac{c}{2\pi }\sqrt{\frac{A_1}{V_2\left(l_1+2\cdot {\mathrm{\Delta }\mathit{l}}_1\right)}}$$

Es ergibt sich für l₂ : $$l_2=\frac{c^2{A}_1}{f_0^2\cdot 4{\pi }^3{r}_2^2\left(l_1+2\cdot {\mathrm{\Delta }\mathit{l}}_1\right)}$$

Die Regelung 16 steuert den Linearschrittmotor 5 derart an, dass der Resonatorzylinder 4 in die Zielposition verschoben wird, bis das zweite zylindrische Helmholz-Resonator-Volumen 18 über diese berechnete Länge l₂ verfügt. Die Ultraschall- oder Laserwegmesser 8 dient hierbei der Regelung 16 zur Kontrolle. Alternativ kann auch aus einer Anschlagposition startend eine vorher errechnete Anzahl von Schritten verfahren werden. Diese ergibt sich aus dem erforderlichen Weg, der Steigung des Gewindes und der Schrittzahl pro Umdrehung des Motors.

In einer weiteren Ausführung kann ein Inkrementaldrehgeber verwendet werden, um die Position des Schrittmotors und damit die Höhe des Zylinders zu bestimmen. Damit können Schrittverluste ausgeglichen werden.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform. Der Helmholtz-Resonator 2 ist dabei zwischen Gebläse 10 und Brenner 11 angeordnet. Ein Motor 12, der mit der Regelung 16 verbunden ist, bewegt über eine Gewindestange 13 den Resonatorzylinder 4 innerhalb des zweiten zylindrischen Helmholz-Resonator-Volumens 18. Die Gewindestange 13 ist mit dem Resonatorzylinder 4 starr oder über ein Loslager verbunden. Auf eine Bestimmung der Länge des zweiten zylindrischen Helmholz-Resonator-Volumens 18 kann hierbei verzichtet werden, indem beim Auftreten der Verbrennungsschwingungen, was nach wie vor mittels des Massenstromssensors 1 erkannt wird, startend aus einer Extremposition des Resonatorzylinders 4 solange in Richtung der anderen Extremposition verfahren wird, bis die selbsterregten Verbrennungsschwingungen abgestellt sind, und somit die korrekte Seitenlänge erreicht ist.

Treten später erneut Schwingungen auf, wird erneut zuerst in die Startposition gefahren, um anschließen wieder zu verfahren bis die korrekte Höhe des Zylinders erreicht ist.

Möglich ist auch eine Kombination der beiden beschriebenen Verfahren: Die notwendige Position wird aus dem Massenstromsensorsignal wie oben beschrieben ermittelt. Dann wird die errechnete Position bis auf einen definierten Abstand angefahren, um dann langsam weiter zu verfahren, bis die Schwingungen abgestellt sind.

Ist eine kritische Frequenz bereits vor dem Start der Verbrennungsanlage bekannt, so kann diese im Speicher abgelegt werden und bereits vor dem Start des Brenners die entsprechende Größe des Helmholtz-Resonators eingestellt werden, um ein Auftreten der Schwingungen zu verhindern. Im einfachsten Fall verbleibt die Einstellung des Helmholtz-Resonators nach dem Abschalten der Verbrennungsanlage in der zuletzt eingestellten Position und steht beim nächsten Start unverändert zur Verfügung.

Ein System kann bei zwei unterschiedlichen Frequenzen jeweils ein selbsterregtes Schwingen aufweisen. In diesem Fallbeispiel gibt es beispielsweise eine Schwingungsneigung bei 40Hz und bei 160Hz. Nach dem Stand der Technik könnte das Problem dadurch gelöst werden, dass zwei Helmholtz-Resonatoren eingesetzt werden, die in ihren geometrischen Eigenschaften auf jeweils eine der beiden Frequenzen abgestimmt sind. Erfindungsgemäß kann der Helmholtz-Resonator anpasst werden, so dass er in der Lage ist, beide Frequenzen abzudecken. Gibt es mehr als eine Frequenz in dem Brennerbetriebsbereich, so kann das Regelungssystem den Resonator immer auf die Frequenz einstellen, die gerade oder vorher schon einmal in dem gerade angefahrenen Betriebspunkt gemessen wurde. Die Frequenzen und die Betriebspunkte werden in einem Speicher abgelegt. Beim Wechsel von einem Betriebspunkt in einen anderen wird im Speicher ausgelesen, ob es zu dem neuen Betriebspunkt eine andere kritische Frequenz gibt, als die, auf die der Resonator gerade eingestellt ist. Ist dies der Fall, so wird die Resonatorgeometrie bereits während der Modulation wie oben beschrieben angepasst.

1

Massenstromsensor

2

Helmholtz-Resonator

3

Venturi

4

Resonatorzylinder

5

Linearschrittmotor

6

Antriebswelle

7

Innengewinde

8

Ultraschall- oder Laserwegmessers

9

Gasregelventil

10

Gebläse

11

Brenner

12

Motor

13

Gewindestange

14

Frischgasführung

15

Brenngasführung

16

Regelung

17

erstes zylindrisches Helmholz-Resonator-Volumen

18

zweites zylindrisches Helmholz-Resonator-Volumen