Laseroptische Untersuchung der Selbstzündungcharakteristik von mageren Zweiphasenströmungen in Gasturbinen-Vormischstrecken

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Bd. 51/2013

Oliver Heeg

ISBN 978-3-8325-3371-7
179 pages, year of publication: 2013
price: 37.00 €
Laseroptische Untersuchung der Selbstzündungcharakteristik von mageren Zweiphasenströmungen in Gasturbinen-Vormischstrecken

Ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Absenkung der NO_x -Emissionen von zukünftigen Flugzeugtriebwerken ist die vorverdunstete vorgemischte Magerverbrennung (LPP). Die unerwünschte Selbstzündung von Kraftstoffsprays während der Vormischung stellt hierbei jedoch ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Die Zündverzugszeit homogener Gemische ist bereits eingehend untersucht, in der Literatur beschrieben und kann entsprechend vorhergesagt werden. In der Vormischstrecke einer LPP-Brennkammer liegt jedoch teilweise noch flüssiger Kraftstoff vor, während die Vorreaktionen der Zündung bereits einsetzen. Das Phänomen der Selbstzündung in einer solchen Zweiphasenströmung steht damit wahrhaft im Grenzgebiet zwischen den gleichbedeutenden Disziplinen Chemie, Fluidmechanik und Thermodynamik. Ein tieferes Verständnis der interagierenden Vorgänge ist dringend erforderlich, um vom heutigen hohen Stand der Technik ausgehend die Effizienz und Umweltverträglichkeit von Kraftmaschinen noch weiter zu verbessern.

Für die Auslegung und betriebssichere Umsetzung der beschriebenen Magerverbrennung ist zukünftig auch vermehrt eine Berechnung solcher Systeme von Bedeutung. Da eine detaillierte Berechnung zu teuer und zeitaufwendig wäre, sind hierfür Modelle erforderlich, welche sich auf die wesentlichen Parameter und Einflüsse beschränken. Im Fokus stehen hierbei insbesondere die simultan ablaufenden überlagerten Vorgänge im Umfeld der verdunstenden Flüssiganteile. Zunächst ist daher die genaue Charakterisierung des Zündvorgangs in der Zweiphasenströmung erforderlich, um maßgebliche Vorgänge zu identifizieren und bei der künftigen Modellbildung von untergeordneten trennen zu können.

In Anbetracht dessen wurde in dieser Arbeit das Phänomen der Selbstzündung von Kraftstoffsprays im technisch relevanten Temperaturbereich (800..1050K) bei erhöhtem Druck von 0,8MPa experimentell untersucht. In einer optisch zugänglichen Vormischstrecke wurde der Zündvorgang einer tropfenbeladenen Strömung mit Laser- sowie Hochgeschwindigkeitsmesstechnik erfasst. Insbesondere konnte der lokale Fortschritt der chemischen Reaktionen durch planare laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) von Formaldehyd detektiert werden, welcher als Zwischenprodukt der zur Selbstzündung führenden Reaktionen gebildet wird. Zur Lokaliserung der unvollständig verdunsteten Tropfen wurde simultan deren Mie-Streuung aufgenommen.

Aufgrund der vielfältigen Forschungsergebnisse aus diesem breiten Themengebiet war zunächst eine umfangreiche Literaturrecherche erforderlich. Auf diese Weise konnten Erkenntnisse bisheriger Arbeiten in ein Gesamtbild überführt bzw. auf die vorliegende Problemstellung projiziert oder von dieser abgegrenzt werden. Die bisherigen Untersuchungen von Einzeltropfenzündungen zeigen beispielsweise einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Gastemperatur und dem Radius der lokalen Zündinitiierung auf. In den vorliegenden Untersuchungen konnte jedoch erstmals gezeigt werden, dass ein solcher Zusammenhang in der generischen Vormischstrecke nicht mehr zu erkennen ist. Die lokalen Vorgänge in der Tropfenumgebung sind folglich für eine globale Beschreibung der Zündreaktion in der Vormischstrecke von untergeordneter Bedeutung. Diese Erkenntnis ist von entscheidender Bedeutung für die künftige Erstellung geeigneter Modelle.