Evaluierung aktiver Luftzerstäubungs-Regelungskonzepte

Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit dem Verhalten instationärer Zweiphasenströmungen unter hohem Druck und Temperatur und ist damit grundlagenorientiert. Anwendungsgebiete solcher Strömungen stellen Luftzerstäuberdüsen dar, die als Einspritzmodule in modernen Flugtriebwerken eingesetzt werden. Weitere Applikationen stellen Flüssigkraftstoff-Raketen, direkt einspritzende Verbrennungsmotoren, Trocknungsanlagen in der Pharmazie und Nahrungsmittelindustrie, sowie die Erzeugung von Beschichtungen von Werkstoffen dar. Neue Konzepte für effiziente und umweltfreundliche Gasturbinenbrennkammern beinhalten Low-NOx Injector- Technologien wie etwa LPP Brenner (lean-prevaporized -premixed; mager-vorverdampft-vorgemischt). Diese Systeme, welche unter hohen Druckverhältnissen und nahe der Erlöschgrenze arbeiten, sind bekannt für ihre Anfälligkeit auf selbst induzierte Verbrennungsinstabilitäten. Obwohl Überwachungssysteme für die Verbrennung bei stationären Gasturbinen angewendet werden, ist deren Transfer zu Flugantriebe aufgrund der Gewichtsproblematik nicht trivial. Hierfür fehlt noch das grundlegende Verständnis über die Physik von Mehrphasenströmungen um eine instationäre Verbrennung einwandfrei kontrollieren zu können. Das beeinflussen der Injektion ist die beste Methode um Verbrennungsinstabilitäten zu dämpfen. In dieser Studie wollen wir verschiedene Einspritz-Strategien untersuchen um das Luftverhältnis im Bereich der Flamme zu stabilisieren oder das Gemisch phasenkontrolliert einzuspritzen. Wir schlagen daher folgende Vorgangsweise vor: Der Ansatz dieser Studie wird numerisch sein. Dabei wird ein Euler-Lagrange Löser für eine Zweiphasenströmung innerhalb einer 3D Rechenumgebung verwendet Eine Reihe an Experimenten wird nötig sein, um die numerischen Modelle zu validieren, durch Messungen sollen die Auswirkungen der Injektionskontolle zu ermittelt und Randbedingungen für die Rechenmodelle geliefert werden Die Parameter der Studie werden der Einfluss der Pulsation des Kraftstoffmassenstroms, des Luftmassenstroms wie auch deren Kombination sein. Numerische Entwicklungsarbeiten betreffen dabei die Implementierung von instationären Randbedingungen, Einführung einer pulsierten flüssigen Phase, Wechselwirkung Luft-Partikel, gleichzeitiger Partikeltransport und Verdampfung unter instationären Bedingungen Experimentelle Arbeiten betreffen die Auswahl oder Entwicklung geeigneter Aktoren, deren Kontrolle sowie das Testen dieser und die Entwicklung von synchronen Messtechniken Durch bereits früher getätigte Arbeiten bei der ONERA und dem DLR steht eine Datenbank mit Parametern zur Analyse zur Verfügung (Zerstäubung und Verdampfung wurde für bestimmte Geometrien, unter hohem Druck und Temperatur, vollständig für stationäre und instationäre Bedingungen, untersucht) Am Ende des Projektes werden die Ergebnisse eines realisierten Ad-hoc Luftstromzerstäubers die Grundlage für weiterführende Projekte sein, in welchen auch die Verbrennung berücksichtigt wird. Die Module werden dann experimentell getestet und validiert werden Dieses Projekt beschäftigt zwei Doktoranten über drei Jahre (Simulation und Experimente) plus einen Doktoranten über eineinhalb Jahre (Echzeitsteuerung). Die Studie wird in der Abteilung Verbrennung in Gasturbinen am Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik der Technischen Universität Graz stattfinden.

In den letzten Jahrzehnten lagen die Schwerpunkte der Gasturbinenbrennkammerforschung auf der Reduzierung der Schadstoffemissionen und Optimierungen der Wirkungsgrade. Hauptgründe für diese Entwicklung sind die schadhaften Einflüsse auf die Umwelt, Verknappung fossiler Ressourcen sowie damit verbundene steigende Betriebskosten Diese Entwicklungen führen zu Brennkammern, die im mageren Verbrennungsbereich betrieben werden, in welchem vermehrt Brennkammerinstabilitäten auftreten, gekennzeichnet durch instationäre Wärmefreisetzung und Druckschwankungen. Diese Instabilitäten können zu schweren Schäden des Systems führen. In diesem Projekt wurde die Airblast Zerstäubung, als Standard im Bereich der Gasturbinenverbrennung,sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Im numerischen Teil des Projekts wurden als aktive Gegenmaßnahmen zu Verbrennungsinstabilitäten Pulsationen der Luftströmung und gepulste Einspritzung untersucht. Der Einfluss von Luftpulsationen und der gepulsten Einspritzung auf dern Primärzerfall eines Flüssigkeitfilms in Ligamente sowie weiter in Tropfen wurde durch Laser Doppler Anemometrie, Phasen Doppler Anemometrie sowie bildgebenden Verfahren analysiert.