In der optischen Einzelsektorbrennkammer im HBK 1, dem BOSS (Big Optical Single Sector), werden bis 20 bar mit Hilfe von Lasermesstechniken das Zusammenwirken von Strömung und Verbrennung und die Rolle, die das Kraftstoffspray dabei spielt, erforscht. Ziel ist ein verbessertes Verständnis der Schadstoffbildung und letztlich eine Beschleunigung der Entwicklung schadstoffarmer Brennkammern. Dafür wurde der zuvor für konventionelle Brennkammerversuche genutzte HBK 1-Prüfstand modernisiert und mit einer neuen Messstrecke ausgestattet. Die für den Prüfstand notwendigen Mittel stellte das DLR zur Verfügung, die für die Messstrecke stammen aus dem Luftfahrtforschungsprogramm und von der Firma Rolls-Royce.
Bild 1 zeigt den Prüfstand. Die komprimierte Luft gelangt durch das Rohrleitungssystem des Standorts zum Prüfstand. Hier wird die Verbrennungsluft von drei elektrischen Lufterhitzern mit je 540 KW bis auf max. 600 °C aufgeheizt; damit wird die Erwärmung der Luft im Verdichter des Triebwerks simuliert. Von dort wird die Luft zur Messstrecke geleitet. Diese ist in einer Schnittzeichnung in Bild 2 dargestellt. Im Plenum (2) werden die beiden Kraftstoffleitungen für Pilot- und Hauptbrenner zugeführt, sowie die Temperatur- und Druckmessleitungen zur Instrumentierung der Messtrecke. Ein Lochblech (M) vergleichmäßigt die Brennerströmung und dämpft Schwingungsanteile der Luftbewegung aus den Zuführungsleitungen.
Die eigentliche Brennkammer ist in einem Viertelschnitt in Bild 3 gezeigt. Sie ist ähnlich realen Triebwerksbrennkammern zweischalig aufgebaut. Die Verbrennungsluft wird in einem dünnen Flammrohr geführt. Dieses besteht im Anschluss an den Brenner aus Quarzscheiben, die den optischen Zugang zur reagierenden Strömung erlauben. Wegen der hohen Verbrennungstemperaturen muss das Flammrohr intensiv gekühlt werden. Dazu wird an der Innenseite der Fenster vorgewärmte Luft in einem Kühlfilm an den Fenstern vorbei geführt. Für diese Luft ist einer der drei Lufterhitzer vorgesehen, dessen Temperatur und Massenstrom auch separat geregelt werden kann, um durch eine geeignete Wahl beider Parameter einen möglichst geringen Einfluss auf die Verbrennung auszuüben. Das ist besonders für die Untersuchung von mageren Brennern wichtig, weil ein zu starker Kühllufteintrag den Reaktionsfortschritt behindern würde. In der Sekundärzone des Flammrohrs wird die Strömung zum Abgasrohr hin beschleunigt. Da mit der Wandgeschwindigkeit auch der Wärmeübergang steigt, wird hier nicht vorgewärmte Kühlluft separat zugeführt, die durch lasergebohrte Effusionskühlungslöcher in das Flammrohr einströmt. Beim Bau wurde ein ähnliches Brennkammervolumen wie in der bereits bestehenden HPSS- (High Pressure Single Sector) Brennkammer angestrebt, um durch gleiche Aufenthaltszeiten eine möglichst direkte Vergleichbarkeit der Brennkammeremissionen zu erreichen. Diese ebenfalls am Institut für Antriebstechnik betriebene Einzelsektor-Brennkammer bietet die Möglichkeit, Brenner bei bis zu 40 bar zu testen, besitzt jedoch keinen optischen Zugang. Das diesem Vorgehen zugrundeliegende Ziel ist es, die bei der Untersuchung der Brenner in der HPSS gemessenen Emissionstrends durch den Vergleich mit denen in der BOSS Brennkammer beobachteten Strömungs- und Verbrennungseigenschaften zu verstehen und bewerten zu können.
In der Sekundärzone befindet sich ein Rohrstutzen, durch den eine Kamerasonde eingebracht werden kann (F). Mit ihr ist es möglich, in Richtung des Brenners das Flammenleuchten über die gesamte Querschnittsfläche des Brennraums fortlaufend zu erfassen. Das ist für die Beurteilung der räumlichen Homogenität der Verbrennung wichtig, da erst unter dieser Voraussetzung Messergebnisse aus Laserlichtschnitten als repräsentativ für das Gesamtgeschehen angenommen werden dürfen. Eine weitere wichtige Überwachungseinheit ist der Messaufnehmer für Druckschwankungen in der Flammrohrwand der Sekundärzone (I), der wegen der Anfälligkeit der mageren Verbrennung gegen Verbrennungsschwingungen zum Schutz gegen ungewollt auftretende Druckschwingungen im Flammrohrs eingesetzt wird.
Nach dem Austritt aus der Brennkammer strömt das Rauchgas in das Abgasrohr (Pos 4 in Bild 2). Zukünftig soll hier im Austausch mit dem Abgasrohr eine Sirene eingesetzt werden, durch die eine gezielte Anregung von Verbrennungsschwingungen ermöglicht werden soll. Durch dieses Vorgehen soll vor den aufwändigen Ringbrennkammertests ein Vergleich der Brenner im Hinblick auf ihre Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen möglich werden.
Im zweiten Abgasrohr (5) befindet sich die Gasentnahmesonde (H) zur Emissionsmessung. An die Messstrecke schließt sich eine Wassereinspritzung an, die das Verbrennungsgas vor dem Durchströmen der Drossel abkühlt. Damit wird auch eine Verzögerung der Strömung erreicht, die eine geringere Lärmerzeugung am Drosselaustritt zur Folge hat. Die Drossel verfügt über bewegliche Innenkörper, so dass für die vorgesehenen Massenströme und Austrittstemperaturen die erwünschten Brennkammerdrücke und Druckverluste der Brenner eingestellt werden können.
Neben der Videoüberwachung und der Messung von Emissionen werden zur Untersuchung der reagierenden Strömung vor allem Messverfahren eingesetzt, die mit gepulsten Laserlichtschnitten die Betrachtung einer Momentaufnahme der Messgröße in einem 2-dimensionalen Bild erlauben. Die Verteilung der Brennstofftropfen wird durch die Aufnahme ihrer Lichtstreuung abgebildet, die vom Laser angeregte Fluoreszenz der Brennstoffmoleküle gibt Auskunft über die Brennstoffkonzentration. Das Flammenleuchten selbst wird im ultravioletten Bereich zur Isolierung der Strahlung des OH Radikals gefiltert. Diese kann als ein Maß für die Verbrennungsintensität verwandt werden. Aus der laserangeregten Fluoreszenz des OH-Radikals kann für magere Gemischzusammensetzungenim untersuchten Druckbereich die lokale Temperatur abgeleitet werden. Die Geschwindigkeit soll mit der Particle Image Velocimetry gemessen werden. Größe und Geschwindigkeit der Brennstofftropfen werden mit einem Punktmessverfahren, der Phasen-Doppler Anemometrie ermittelt. Aus der Interpretation dieser Messverfahren kann dann das Zusammenspiel von Brennstoffaufbereitung, Mischung und Verbrennung abgeleitet werden, das die Verbrennungseigenschaften bestimmt.
Bild 4 zeigt ein Foto der Flamme, zusammen mit einer Falschfarben-Darstellung der Kraftstoff-Verteilung als typisches Ergebnis der laseroptischen Messverfahren.
Weitere Details zur Messtrecke BOSS und zum Prüfstand HBK-1 findet sich in der Literatur [1]
[1] Schneider D., Meier U., Quade W., Koopman J., Aumeier T., Langfeld A., Behrendt T., Hassa C., Rackwitz L.,“A New Test Rig for Laser Optical Investigations of Lean Jet Engine Burners“; 27th International Congress of the Aeronautical Sciences (ICAS2010)