U. Meier, S. Freitag, J. Heinze, L. Lange, E. Magens, M. Schroll, C. Hassa, I.K. Bagchi, W. Lazik

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.

"In the development of aircraft engines with significantly reduced emissions based on lean-burn technology, the pilot stage of the burner plays a crucial role with regard to stability, operational behavior, and NOx and soot production. Factors influencing the performance characteristics of a pilot burner include mixture quality in the pilot zone, fuel placement, flow field structure, and interaction with the main stage. Characterizing and understanding these processes is therefore of particular interest. Pilot burners with pressure and airflow atomization were investigated in an optically accessible single sector using various optical measurement techniques. The aim of the experiments was to interpret and improve the understanding of the overall emission behavior in a combustion chamber. Since this is highly dependent on the introduction and placement of the liquid fuel, the spatial distribution of the kerosene spray was investigated for different burner configurations and operating conditions using plane Mie scattering. Penetration depth and spray angle were measured. In the case of pressure atomizers, an increase in the spray cone angle with increasing fuel flow was observed, while it remained constant in the case of airflow atomizers. Droplet sizes and velocities were measured using phase-Doppler anemometry. For airflow atomizers, small droplet sizes were observed, with axial velocities similar to those of the airflow. The dynamics of the fuel flow were investigated using high-speed shadow imaging. The data show the rapid formation of turbulent mixture structures with locally high concentrations of liquid fuel, as well as helical circumferential motion. The spatial soot distribution and its dependence on the air/fuel ratio (AFR) were investigated under idle and part-load conditions using plane laser-induced incandescence (LII). The data show a steep increase in the soot volume fraction below a certain AFR with further reduction of the AFR. This result is consistent with measurements of the soot number in a single sector without optical access, but provides further information about the location and shape of the soot distribution in the combustion chamber. The flow field was measured using PIV; the data for isothermal and reacting flows are comparable to CFD calculations. These and further results, such as the investigation of modified fuel atomizers or the use of combined optical measurement techniques, form the basis for the development of strategies to reduce soot emissions, especially under higher load conditions during pilot operation."

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, 11 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201210269044

Laserdiagnostik, Magerverbrennung

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26.10.2012