Charakterisierung von reagierenden Brennkammerströmungen

Die Schadstoffbildung in Brennkammern unterliegt komplexen chemischen Vorgängen in der hochturbulenten Zwei-Phasen-Strömung. Die Verbrennungsprüfstände der Abteilung wurden speziell konzipiert, um die damit verbundenen Fragestellungen bei realistischen Betriebsbedingungen an Originalkonfigurationen mit fortschrittlichsten Lasermessverfahren untersuchen zu können.

Eigene experimentelle Forschungsvorhaben und Aufträge aus der Luftfahrt- und Kraftwerksindustrie werden an den einzigartigen Verbrennungsprüfständen bearbeitet.

• Der „Ein-Düsen-Sektor“ (EDS) dient der Erforschung der reagierenden Strömung, insbesondere des Brennernahfelds, bei Fett-Mager-Verbrennung. Faktoren, welche die Rußbildung beeinflussen, sind dabei Gegenstand in aktuellen Versuchskampagnen.
• Im HBK1 können verschiedene Versuchsträger integriert werden. Unterschiedliche Anwendungen und Fragesellungen der Fett-Mager-Verbrennung (RQL), der Magerverbrennung und zu Brennkammeraustrittsbedingungen können dadurch bearbeitet werden. Die realitätsnahen Brennkammergeometrien und der erweiterte Hochdruck- und Hochtemperaturbereich ermöglichen die detaillierte Betrachtung unter anderem von Rußbildung und –oxidation . Aktuelle Versuchskampagnen beschäftigen sich mit dem Einfluss von synthetischen Kraftstoffe auf die Schadstoffbildung.

An den Brennkammerprüfständen kommen mit Unterstützung der Abteilung Triebwerksmesstechnik verschiedene laser-optische Messverfahren zum Einsatz, um die reagierende Brennkammerströmung zu charakterisieren:

• Mie-Streuung → Platzierung des flüssigen Kraftstoffs
• Phase & Laser -Doppler-Anemometrie (PDA) → Tropfengröße- und Tropfengeschwindigkeitsverteilung
• Particle-Image-Velocimetry (PIV) in reagierenden Strömungen auch bei starker Hintergrundbeleuchtung (RQL-Brennkammern) → Strömungsfeld
• Planer-Laser-Induced-Fluorescence (PLIF) von OH-Radikalen und Kraftstoffaromaten → OH-Konzentration, Temperaturverteilung (bei mager Verbrennung) und Verteilung des gasförmigen Kraftstoffes
• Laser-Induced-Incandescence (LII) → räumliche Verteilung der Rußkonzentration
• OH und CO2 Chemilumineszenz → Zonen der Wärmefreisetzung

Darüber hinaus bieten die Verbrennungsprüfstände über eine Entnahmesonde die Möglichkeit, die Abgaszusammensetzung zu analysieren (NOx, CO, CO2, O2, UHC). Außerdem verfügt die Abteilung über ein SMPS (Scanning-Mobility-Particle-Sizer) Messsystem. Mit diesem können Aerosolpartikel, insbesondere Ruß, von einer Partikelgröße 10nm bis 1000nm über die Entnahmesonde am Brennkammeraustritt gemessen werden.  

Über dynamische Druckaufnehmer werden Verbrennungsschwingungen aufgezeichnet und dadurch die Flammenstabilität ermittelt.

Untersuchungen zu Pilot-Main-Interaktion von Magerbrennern in Hinblick auf Strömungsfeld, Reaktionszonen und Rußbildung. Vergleich von zwei Injektoren mit unterschiedlichen Drall (Meier et al., 2013)