具有自适应亥姆霍兹共鸣器的燃烧系统及操作该燃烧系统的方法与流程

本发明涉及一种自适应亥姆霍兹共鸣器。

背景技术：

当燃料气体在完全预混的燃烧系统中进行燃烧时，在某些工作点可能发生不理想的自激燃烧振荡。这通常关系到引人不悦的噪声，并且在某些状况下会损毁设施。

这种现象在DE 102004013584 A1以及针对能源技术的VDI进展报告第364号第6行中有所描述。自激振荡(SES)的起因是火焰的即时功率释放与燃烧室的声响之间的相互作用。产生所述现象的前提条件是火焰在声压正振幅的时间点即时功率释放(瑞利判据)。消除措施参阅DE 19730254 C2。

根据现有技术，通常这样来解决该问题：将引导空气及燃料气体-空气混合物的部件的几何形状如此设计，即使系统对声音失谐，因而尽量不发生自激振荡。在此情形下，例如，在空气或废气通路中置入额外的构件，这些构件具有使系统失谐并由此防止或削减自激振荡的功能。为此，例如采用进气管或者亥姆霍兹共鸣器，这些进气管增加了火焰上游的压力损失。根据亥姆霍兹共鸣器的几何特征参数，其具有一定的固有频率，其在该固有频率下运作。燃烧系统的振荡得以削减或完全避免。

另一种可能性在于，对于电子式燃料气体-空气-混合物来说，当发生振荡时，改变空气过量或热负荷。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种装置以及操作这种装置的方法，其能够用于在完全预混的燃烧系统中消除自激振荡。

根据本发明，通过可单独调适的亥姆霍兹共鸣器来达成上述目的。本发明的一个实施方式中提供了一种燃烧系统，其具有燃烧器、用于将燃烧空气及可选的燃料气体输送至所述燃烧器的鼓风机、将所述鼓风机布置于其中的新鲜气体导管、其中布置有气体调节阀的燃料气体导管以及与所述新鲜气体导管相连接的亥姆霍兹共鸣器，其中所述燃料气体导管通入所述新鲜气体导管中或者直接通入所述燃烧器中。所述亥姆霍兹共鸣器具有用于调整亥姆霍兹共鸣器的体积的驱动装置。

本发明优选应用于电子式燃料气体-空气系统，其中使用体积或质量流量传感器，其测量空气通路与燃料气体通路之间的压差。借助所述体积或质量流量传感器，不仅能够探测自激振荡，而且还能在采样率足够高的情况下确定振荡频率。借助于傅里叶变换，将所测得的传感器信号转换频率范围。

本发明的目的还在于，提供一种可调节其有效频率的亥姆霍兹共鸣器。亥姆霍兹共鸣器运作的频率通过其几何尺寸来限定。影响变量一方面是实体内的减振空间，另一方面是连接通道内的振荡空间。

例如，在一个封闭气缸中，该气缸通过相应调适的连接通道在相应事先确定的作用点与所述燃烧系统相连接或者在该位置整合于所述燃烧系统中，所述亥姆霍兹共鸣器的侧边长度变化如此被调整，使得所述气缸的底部的位置能够借助于适当的电动机械(例如伺服电动机)而沿对称轴线发生改变。所需的气缸侧边长度跟据得到的振荡频率计算出，并且进行更改以便调节该侧边长度。

本发明保护了一种控制系统，其借助传感器来确定自激振荡频率并且调整可调节的亥姆霍兹共鸣器，以便消除振荡。为此，所述系统需要气体调节阀、可调节的鼓风机以及燃烧器。

附图说明

现结合附图对本发明进行阐述。在附图中：

图1示出亥姆霍兹共鸣器；

图2示出本发明的具有亥姆霍兹共鸣器的燃烧系统的第一种实施方式；以及

图3示出本发明的具有亥姆霍兹共鸣器的燃烧系统的第二种实施方式。

具体实施方式

图1示出带有两个圆柱状体积的圆柱状亥姆霍兹共鸣器2。第一亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积17具有长度l₁以及半径r₁。第一亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积17在两侧都敞开且在其一侧与第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18连通，该第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积具有长度l₂以及半径r₂。

该亥姆霍兹共鸣器的固有频率f₀可如下来确定。

在此情形下，c是声速，A₁是亥姆霍兹共鸣器的输入端的横截面孔径(在此：A₁＝r₁²*π)，V₂是第二亥姆霍兹共鸣器体积18的体积(在此：V₂＝r₂²*π*l₂)，并且2*Δl₁是管口校正值(在此：)。

图2示出沿新鲜气体导管14具有燃烧器11以及鼓风机10的本发明的燃烧技术系统。鼓风机10抽吸燃烧用的空气并且将其输送至燃烧器11。鼓风机10具有转速检测器。在鼓风机10的上游，燃料气体导管15在新鲜气体导管14中的文丘里管3处开口，在该燃料气体导管中且位于开口前布置有燃料气体调节阀9。质量流量传感器1布置于燃料气体导管15与新鲜气体导管14之间并且用于调适燃料气体-空气的混合物。在文丘里管3的上游，如图1所示的圆柱形亥姆霍兹共鸣器2与新鲜气体导管14相连接。需在事先确定的作用点/作用位置完成亥姆霍兹共鸣器2的连接。亥姆霍兹共鸣器2在第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18中具有可移动的共鸣器气缸4，从而能够不断调整其体积。为使共鸣器气缸4移动，使用线性步进电动机5，其能够通过螺纹杆形式的驱动轴6以及共鸣器气缸4中的内螺纹7配合使所述共鸣器气缸移动。为了避免共鸣器气缸4旋转，设置扭转止动器。超声波或激光计程仪8用于检测第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18的当前长度。共鸣器气缸4以气密的方式封闭第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18的侧壁。为此所需的密封可以设计成，例如唇形密封或环形密封。一控制器16与鼓风机10、鼓风机的转速检测器、燃料气体调节阀9、质量流量传感器1、线性步进电动机5以及超声波或激光计程仪8分别连接。

倘若在系统运行时发生燃烧自激振荡，则其引发关于燃烧和燃料气流的反馈，这样质量流量传感器1就能检测到振荡。实际上，质量流量传感器1的信号始终由不同的频率叠加，因此必须超过振荡强度的阈值才有必要执行消除措施。

首先，以采样率f来记录传感器信号的N个值。在此，该采样率须为预期最高频率的两倍高。为了能够运用快速傅里叶变换分析，值的个数N须对应于2的次幂。

快速傅里叶变换(FFT)的算法是基于离散傅里叶变换。对于N个实际采样值，计算N/2频谱线或光谱线F(iω_k)：

，其中k＝0，1，........，N-1

将偏差最大的频率确定为自激振荡的频率并且对其进行进一步处理。随后，从这样确定的燃烧振荡的频率中算出共鸣器气缸4的所需高度。对于亥姆霍兹共鸣器的固有频率f₀，给出(参阅图1，见上文)：

对于l₂，得出：

控制器16如此控制线性步进电动机5，使得共鸣器气缸4移向目标位置，直至第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18具有所计算出的长度l₂。在此情形下，超声波或激光计程仪8被控制器16用来测量长度。在可替换的实施方式中，还能够通过预先计算线性步进电动机从停止位置开始行进到目标位置的步进数来实现。该步进数得通过所需的行程、螺纹的螺距以及电动机的每一转的步进数来计算获得。

在另一种实施方式中，能够使用增量式旋转编码器来确定步进电动机的位置并由此确定气缸的高度。据此，能够补偿步进损失。

图3示出一种可替换的实施方式。在该实施方式中，亥姆霍兹共鸣器2布置于鼓风机10与燃烧器11之间。与控制器16相连接的电动机12通过螺纹杆13使共鸣器气缸4在第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18内移动。螺纹杆13刚性连接至共鸣器气缸4或者通过活动轴承与其相连接。在该实施方式中，不必测定第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积18的长度，具体方式是，在发生燃烧振荡(这种燃烧振荡仍借助于质量流量传感器1来识别)时，从共鸣器气缸4的极限位置开始，向另一极限位置的方向行进，直至消除燃烧自激振荡，因而达到正确的侧边长度。

倘若稍后发生再一次振荡，则首先重新行至起动位置，以便随后继续行进，直至达到气缸的正确高度。

还可行的是，将上述两种方法结合：如上所述可通过质量流量传感器的信号得出必要的位置。然后，根据一确定的距离可粗略获得上述计算的位置，使气缸从必要的位置移动到计算的位置后再缓慢行进，直至消除振荡。从而得到气缸的正确高度。

倘若在燃烧系统启动之前已得知临界频率，则可将其保存在存储器中，并且可在燃烧器启动之前调节亥姆霍兹共鸣器的相应尺寸，以免发生振荡。在最简便的情况下，在关闭燃烧系统之后，使亥姆霍兹共鸣器的设置保留在最后调定的位置并且在下一次启动前保持不变以供使用。

在两个不同的频率下，系统可能分别具有自激振荡。在该范例中，例如，存在40Hz以及160Hz的振荡趋势。根据现有技术，能够通过采用两个亥姆霍兹共鸣器来解决这一问题，这两个亥姆霍兹共鸣器在其几何特性方面分别匹配于两个频率中相应的一个频率。根据本发明，能够对亥姆霍兹共鸣器进行调配，使其能够覆盖这两个频率。倘若在燃烧器的工作范围内存在一个以上的频率，则控制系统始终能够将共鸣器调到刚刚或事前就已经行进到的工作点中所测量的频率。该频率以及相应工作点被保存在存储器中。在从一个工作点换到另一个工作点的过程中，在存储器中读取，针对新的工作点，除了当前将共鸣器调到的临界频率之外，是否还存在另一个临界频率。倘若有此情况，则共鸣器的几何形状已在如上所述的调制期间得到调节。

附图标记清单

1 质量流量传感器

2 亥姆霍兹共鸣器

3 文丘里管

4 共鸣器气缸

5 线性步进电动机

6 驱动轴

7 内螺纹

8 超声波或激光计程仪

9 气体调节阀

10 鼓风机

11 燃烧器

12 电动机

13 螺纹杆

14 新鲜气体导管

15 燃料气体导管

16 控制器

17 第一亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积

18 第二亥姆霍兹共鸣器圆柱状体积