Experimentelle Untersuchung der Interaktion von Drall-stabilisierten Flammen unter Druck mit effusionsgekühlten Wänden hinsichtlich thermochemischer Zustände, Reaktionsgeschwindigkeiten und Schadstoffbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für den sicheren und langfristigen Betrieb von Flugzeugtriebwerken kommt der Brennkammerwandkühlung eine besondere Rolle zu. Die bei der Verbrennung auftretenden Temperaturen liegen typischerweise weit über den Einsatzgrenzen der zur Verfügung stehenden metallischen Werkstoffen, sodass eine aktive Kühlung unerlässlich ist. Durch den Technologiewechsel von Fett-Mager-Verbrennung hin zu Mager-vorgemischter Verbrennung zur Reduktion von Schadstoffemissionen, wächst die Bedeutung der Kühlung durch zwei Kernproblematiken weiter an: die Reaktionszonen der turbulenten Vormischflamme liegen typischerweise weiter im Außenbereich und somit näher an den Wänden, gleichzeitig sinkt die zur Verfügung stehende Menge an Kühlluft. Die Entwicklung von effizienten Kühlstrategien wird somit unerlässlich. Eine Strategie ist die sogenannte Effusionskühlung. Bei dieser wird durch eine Vielzahl kleiner, schräg angestellter Bohrungen in der Brennkammerwand Kühlluft eingebracht. Beim Durchströmen der Wand wird dieser Wärme entzogen und es bildet sich im Inneren der Brennkammer ein Kühlluftfilm, der die Wand vor den heißen Produktgasen der turbulenten Vormischflamme schützen soll. Obwohl Effusionskühlung in den vergangenen Jahrzehnten hinsichtlich Wandwärmeübergängen und totaler Filmkühleffektivität intensiv untersucht wurde, sind fundamentale Aspekte der Interaktionsmechanismen der Kühlluft mit der reagierenden Hauptströmung noch weitgehend unverstanden. Diese Prozesse tiefer zu verstehen und zu beschreiben war Gegenstadt des Projektes. Typischerweise werden experimentelle Untersuchungen bei reduzierter Komplexität im Vergleich zu realen Anlagen durchgeführt. Entweder wird eine Effusionskühlplatte stromab einer Heißgasquelle platziert, was eine gute experimentelle Zugänglichkeit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Randbedingungen erwirkt. Interaktionsmechanismen zwischen Kühlluft und reagierender Hauptströmungen können in diesen Konfigurationen konzeptbedingt nicht untersucht werden. Alternative Ansätze reduzieren die Komplexität auf messtechnischer Seite, z.B. indem Abgasuntersuchungen an realitätsnahen Anlagen durchgeführt werden. Bei diesen Ansätzen sind Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Mechanismen nicht möglich, da Messungen weder räumlich noch zeitlich aufgelöst innerhalb der Brennkammer erfolgen. In dieser Arbeit wird eine Effusionskühlplatte als Wandsegment in einem generischen Verbrennungsprüfstand eingesetzt, welcher sich durch eine Drall-stabilisierte turbulente Flamme bei erhöhter Einlasstemperatur und erhöhtem Druck auszeichnet. Hierdurch werden Einflüsse durch instationäre Wärmefreisetzung, Konvektion und Strahlung sowie chemische Reaktionen vollständig abgebildet. Quantitative und semi-quantitative Laser-basierte Messtechniken mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung werden eingesetzt, um eine Sensitivität der zu untersuchenden Flamme- Kühlluft Interaktion hinsichtlich wichtiger Randbedingungen zu identifizieren, die das Strömungs- und Temperaturfeld sowie die Kühlung an sich betreffen. Mischungsprozesse zwischen der reagierenden Hauptströmung und der Effusionskühlluft werden mit Hilfe einer Kombination aus quantitativer Laser induzierter Fluoreszenz des Hydroxyl Radikals (OH) und Stickstoffmonoxid, mit welchem die Kühlluft dotiert wird, untersucht. Die erhobenen Daten lassen Rückschlüsse darauf zu, wie häufig eine Mischung der Stoffströme vor, während oder nach dem chemischen Umsatz des Brennstoffs vorliegt. Messungen des thermochemischen Zustandes, repräsentiert durch den lokalen Kohlenstoffmonoxid (CO) Molenbruch und die Temperatur der Gasphase, werden mittels Kombination von CO Laser induzierter Fluoreszenz (LIF) und rotations-vibrations kohärenter anti-Stokes Raman Spektroskopie mit Stickstoff als resonanter Spezies durchgeführt. Simultane Messungen von OH-, CO- und Formaldehyd-LIF erlauben die Untersuchung von Sensitivitäten auf den CO Produktions- und Oxidationsablauf in Bezug auf die untersuchten parametrischen Variationen der Randbedingungen. Die gewonnenen Daten zeigen, dass Interaktionen zwischen der Flamme und der Effusionskühlluft lokal die Struktur der Vormischflamme innerhalb der Vorwärmzone, der Hauptreaktionszone und im Abgas beeinflussen. Räumlich sind diese Beeinflussungen nicht nur auf den Bereich nahe der effusionsgekühlten Wand beschränkt, sondern erstrecken sich durch Rezirkulation bis in die Primärzone.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influence of effusion cooling air on the thermochemical state of combustion in a pressurized model single sector gas turbine combustor. Combustion and Flame, 226, 455-466.
Greifenstein, Max & Dreizler, Andreas
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Investigation of mixing processes of effusion cooling air and main flow in a single sector model gas turbine combustor at elevated pressure. International Journal of Heat and Fluid Flow, 88, 108768.
Greifenstein, Max & Dreizler, Andreas
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MARSFT: Efficient fitting of CARS spectra using a library‐based genetic algorithm. Journal of Raman Spectroscopy, 52(3), 655-663.
Greifenstein, M. & Dreizler, A.
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Mischungsprozesse und Einfluss von Effusionskühlung auf den thermochemischen Zustand in einem generischen Druckbrennkammerprüfstand, Poster and Speaker. 30. Deutscher Flammentag (2021)
M. Greifenstein & A. Dreizler
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CARS.jl: Efficient fitting of dual‐pump multi‐species CARS spectra using compressed libraries. Journal of Raman Spectroscopy, 55(4), 459-472.
Greifenstein, M. & Dreizler, A.
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Influence of effusion cooling air on the CO production in the primary zone of a pressurized single sector model gas turbine combustor. Combustion and Flame, 248, 112511.
Greifenstein, Max & Dreizler, Andreas
