Experimentelle Untersuchung der Rußentstehung innerhalb des fett-mageren Verbrennungskonzepts bei Verwendung von Kerosin
Creators: name: Langenthal, Thomas Von
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Kerosin
Ruß
Flugtriebwerk
PIV
LII

description: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rußentstehung in der Primärzone einer mit Kerosin betriebenen Fett/Mager Brennkammer in für Flugtriebwerke relevanten Bedingungen untersucht. Hierfür wurde eine Brennkammer konstruiert und ein passender Versuchsstand aufgebaut. Wichtig waren dabei realistische Randbedingungen wie Eintrittsgeschwindigkeit, Lufttemperatur und geometrische Abmessungen, sowie die Zugänglichkeit für optische und invasive Messungen. Die Untersuchungen begannen mit der Messung des Strömungsfelds ohne Verbrennung mittels PIV (Particle Image Velocimetry). Die Ergebnisse zeigten, dass die versetzte Anordnung der Sekundärluftzugänge zu einem nicht symmetrischen Strömungsfeld führen. Verbrennungsversuche ergaben, dass in dem untersuchten Aufbau für bestimmte Betriebspunkte zwei unterschiedliche Flammentypen stabilisiert werden können. So kann die Flamme sowohl abgehoben als auch am Brenner ankernd brennen. Die Untersuchungen der reagierenden Strömung mit PIV zeigten, dass sich die Flammentypen auch im mittleren Strömungsfeld unterscheiden. Um die Interaktion des Kerosinsprays mit der Gasströmung zu untersuchen, wurde eine neue Methode zum Auswerten der PIV-Aufnahmen entwickelt. Mit dieser konnten die Geschwindigkeiten von Kerosintropfen und Gasströmung unabhängig voneinander bestimmt werden. Die Messungen ergaben, dass das Kerosin-Spray des Piloten vor allem in den inneren Bereich der Rezirkulationszone transportiert wird und dass die Pilot-Luft wenig mit diesem Spray interagiert. Messungen des lokalen Rußvolumenbruchs mittels LII (Laserinduzierte Inkandeszen) wurden im Bereich der primären Verbrennungszone durchgeführt. Für die ankernden Flammen wurde in allen untersuchten Betriebspunkten sehr intermittierendes Rußvorkommen festgestellt. Außerdem konnte eine starke Abhängigkeit der Rußentstehung vom Kerosinspray beobachtet werden. In den abgehobenen Flammen war in den gleichen Betriebspunkten kein Ruß messbar. Dies war erst bei deutlich brennstoffreicheren Gemischen der Fall. In diesen Flammen war das Ruß-Verhalten nicht intermittierend und unabhängig vom Spray. Ruß wurde vor allem in der äußeren Rezirkulation gemessen. Ein Vergleich der maximalen Rußvolumenbrüche der abgehobenen Flammen mit Messwerten des Rußvolumenbruchs in vorgemischten, eindimensionalen Flachflammen zeigt, dass die Rußgrenze und die gemessenen maximalen Rußvolumenbrüche ähnlich sind. Mittels zeitaufgelöster zwei-Farben-LII wurden die Größe der Ruß-Primärpartikel in der Primärzone der Brennkammer gemessen. Wie auch bei den Messungen des Volumenbruchs wurden hier ausgeprägte Unterschiede zwischen den ankernden und den abgehobenen Flammen deutlich. Die gemessenen mittleren Partikeldurchmesser sind in den ankernden Flammen signifikant höher als in den abgehobenen Flammen. Partikelgrößen wurden ebenfalls am Auslass der Brennkammer gemessen. Vergleicht man abgehobene und ankernde Flammen im gleichen Betriebspunkt, wurden bei den abgehobenen Flammen kleinere und deutlich weniger Rußpartikel am Brennkammerauslass gemessen als bei den ankernden Flammen.