Laseroptische Untersuchung der Selbstzündungcharakteristik Von Mageren Zweiphasenströmungen in Gasturbinen-Vormischstrecken

Ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Absenkung der NO_x-Emissionen von zukunftigen Flugzeugtriebwerken ist die vorverdunstete vorgemischte Magerverbrennung (LPP). Die unerwunschte Selbstzundung von Kraftstoffsprays wahrend der Vormischung stellt hierbei jedoch ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Die Zundverzugszeit homogener Gemische ist bereits eingehend untersucht, in der Literatur beschrieben und kann entsprechend vorhergesagt werden. In der Vormischstrecke einer...
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Ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Absenkung der NO_x-Emissionen von zukunftigen Flugzeugtriebwerken ist die vorverdunstete vorgemischte Magerverbrennung (LPP). Die unerwunschte Selbstzundung von Kraftstoffsprays wahrend der Vormischung stellt hierbei jedoch ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Die Zundverzugszeit 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 flussiger Kraftstoff vor, wahrend die Vorreaktionen der Zundung bereits einsetzen. Das Phanomen der Selbstzundung in einer solchen Zweiphasenstromung steht damit wahrhaft im Grenzgebiet zwischen den gleichbedeutenden Disziplinen Chemie, Fluidmechanik und Thermodynamik. Ein tieferes Verstandnis der interagierenden Vorgange ist dringend erforderlich, um vom heutigen hohen Stand der Technik ausgehend die Effizienz und Umweltvertraglichkeit von Kraftmaschinen noch weiter zu verbessern. Fur die Auslegung und betriebssichere Umsetzung der beschriebenen Magerverbrennung ist zukunftig auch vermehrt eine Berechnung solcher Systeme von Bedeutung. Da eine detaillierte Berechnung zu teuer und zeitaufwendig ware, sind hierfur Modelle erforderlich, welche sich auf die wesentlichen Parameter und Einflusse beschranken. Im Fokus stehen hierbei insbesondere die simultan ablaufenden uberlagerten Vorgange im Umfeld der verdunstenden Flussiganteile. Zunachst ist daher die genaue Charakterisierung des Zundvorgangs in der Zweiphasenstromung erforderlich, um massgebliche Vorgange zu identifizieren und bei der kunftigen Modellbildung von untergeordneten trennen zu konnen. In Anbetracht dessen wurde in dieser Arbeit das Phanomen der Selbstzundung von Kraftstoffsprays im technisch relevanten Temperaturbereich (800..1050K) bei erhohtem Druck von 0,8MPa experimentell untersucht. In einer optisch zuganglichen Vormischstrecke wurde der Zundvorgang einer tropfenbeladenen Stromung 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 Selbstzundung fuhrenden Reaktionen gebildet wird. Zur Lokaliserung der unvollstandig verdunsteten Tropfen wurde simultan deren Mie-Streuung aufgenommen. Aufgrund der vielfaltigen Forschungsergebnisse aus diesem breiten Themengebiet war zunachst eine umfangreiche Literaturrecherche erforderlich. Auf diese Weise konnten Erkenntnisse bisheriger Arbeiten in ein Gesamtbild uberfuhrt bzw. auf die vorliegende Problemstellung projiziert oder von dieser abgegrenzt werden. Die bisherigen Untersuchungen von Einzeltropfenzundungen zeigen beispielsweise einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Gastemperatur und dem Radius der lokalen Zundinitiierung 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 Vorgange in der Tropfenumgebung sind folglich fur eine globale Beschreibung der Zundreaktion in der Vormischstrecke von untergeordneter Bedeutung. Diese Erkenntnis ist von entscheidender Bedeutung fur die kunftige Erstellung geeigneter Modelle.