Fett-mager-Verbrennung



Schematische Darstellung einer fett-mager-Brennkammer
Aus: Tim C. Lieuwen, Vigor Yang: Gas turbine emissions;  Cambridge University Press, 2013
Brennkammern für Triebwerke basieren derzeit überwiegend auf der sogenannten „fett-mager“-Technologie. Dieses Konzept bietet wegen seiner geringeren Komplexität hinsichtlich Aufbau und Regelbarkeit für Triebwerke mit geringen bis mittleren Druckverhältnissen auch weiterhin ein hohes Potenzial. Solche Brennkammern setzen sich zusammen aus einer brennstoffreichen Primärzone, die ein gutes Regelverhalten und Stabilisierung der Flamme über einen weiten Lastbereich sicherstellt, sowie einer nachfolgenden Mischzone, in der sich durch Luftzumischung das Luft/Brennstoff-Verhältnis vom Brennstoff-Überschuss zum Luft-Überschuss verschiebt. Dabei wird der vollständige Ausbrand erreicht und – zusammen mit weiterer Luftzufuhr in der anschließenden Verdünnungszone - die Brennkammer-Temperatur auf ein für den Eintritt in die Turbine geeignetes Niveau eingestellt. Das Grundprinzip ist in der Abbildung schematisch dargestellt.

Mit einem solchen Design sind zwei wesentliche Herausforderungen verbunden:

  1. Die brennstoffreiche Primärzone produziert notwendigerweise erhebliche Mengen Ruß; dessen quantitativer Abbrand muss im nachfolgenden Gebiet magerer Gemische sichergestellt werden.
  2. Beim Übergang vom fetten zum mageren Gemisch werden zwangsläufig zwischenzeitlich stöchiometrische Bedingungen mit hohen Temperaturen erreicht. Um dabei NOx-Bildung zu vermeiden, gilt es, diese Übergangsphase durch eine hocheffiziente Mischung möglichst kurz zu gestalten.

Messstrecke HOTS
Zu diesen Punkten werden noch lohnenswerte Optimierungs-Möglichkeiten des fett/mager-Konzeptes gesehen. Die Optimierung einer Verbrennungs-Technologie setzt ein gutes Verständnis der beteiligten chemischen, physikalischen, thermodynamischen und strömungsmechanischen Phänomene voraus. Zu deren Untersuchung betreibt das Institut in Zusammenarbeit mit Rolls-Royce Deutschland im Prüfstand HBK-1 die Sektor-Brennkammer HOTS , die den Einsatz optischer Messtechniken zum Studium spezifischer Fragestellungen an einer realitätsnahen Brennkammer ermöglicht. Dabei handelt es sich etwa um Fragen der Kraftstoff-Platzierung, der Rußbildung in der Primärzone und der Qualität der Mischung. Ziel dieser Untersuchungen ist die Gewinnung von Informationen über Details der Brennkammer-Performance und die Ableitung von Strategien zu ihrer weiteren Verbesserung.


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