Laser-spektroskopische Charakterisierung der Pilotzone eines gestuften Magermoduls

Kurzfassung

Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken mit deutlich verringerten Emissionen auf der Grundlage der Magerverbrennungstechnologie spielt die Pilotstufe des Brenners eine entscheidende Rolle im Hinblick auf Stabilität, Betriebsverhalten, sowie NOx- und Rußproduktion. Zu den Faktoren, die die Leistungsmerkmale eines Pilot-Brenners beeinflussen, gehören Mischungsgüte in der Pilotzone, Kraftstoff-Platzierung, Struktur des Strömungsfeldes und Wechselwirkung mit der Hauptstufe. Die Charakterisierung und das Verständnis dieser Prozesse sind daher von besonderem Interesse. Pilot-Brenner mit Druck- und Luftstromzerstäubung wurden in einem optisch zugänglichen Einzelsektor unter Verwendung unterschiedlicher optischer Messverfahren untersucht. Das Ziel der Versuche bestand in der Interpretation und einem verbesserten Verständnis des globalen Emissionsverhaltens in einer Brennkammer. Da dieses in hohem Maße von der Einbringung und Platzierung des flüssigen Kraftstoffes abhängt, wurde die räumliche Verteilung des Kerosin-Sprays für unterschiedliche Brennerkonfigurationen und Betriebszustände unter Einsatz der ebenen Mie-Streuung untersucht. Dabei wurden Eindringtiefe und Spraywinkel gemessen. Im Falle von Druckzerstäubern wurde eine Zunahme des Spray-Kegelwinkels mit dem Brennstoff-Durchfluss festgestellt, während er im Falle von Luftstrom-Zerstäubern konstant blieb. Mittels Phasen-Doppler- Anemometrie wurden Tropfengrößen und Geschwindigkeiten gemessen. Für Luftstromzerstäuber ergaben sich kleine Tropfengrößen, mit Axialgeschwindigkeiten ähnlich denen der Luftströmung. Die Dynamik der Brennstoff-Strömung wurde mittels Hochgeschwindigkeits-Schattenaufnahmen untersucht. Die Daten zeigen eine schnelle Ausbildung turbulenter Mischungsstrukturen mit örtlich hohen Konzentrationen von flüssigem Kraftstoff, sowie eine schraubenförmige Umfangsbewegung. Die räumliche Rußverteilung und ihre Abhängigkeit vom Luft/Brennstoff-Verhältnis (LBV) wurden unter Leerlauf- und Teillast-Bedingungen mittels ebener Laser- Induzierter Inkandeszenz (LII) untersucht. Die Daten zeigen unterhalb eines bestimmten LBV einen steilen Anstieg des Ruß-Volumenanteils bei weiterer Verringerung des LBV. Dies Ergebnis ist in Übereinstimmung mit Messungen der Rußzahl in einem Einzelsektor ohne optischen Zugang, liefert jedoch weitergehende Informationen über Lage und Form der Rußverteilung in der Brennkammer. Das Strömungsfeld wurde mittels PIV vermessen; die Daten für isotherme und reagierende Strömungen sind vergleichbar mit CFD-Rechnungen. Diese und weitergehende Resultate, etwa die Untersuchung modifizierter Brennstoffzerstäuber oder Einsatz kombinativer optischer Messtechniken, bilden Grundlagen für eine Entwicklung von Strategien zur Verringerung von Rußemissionen, insbesondere bei höheren Lastzuständen bei Pilotbetrieb.