Experimentelle Untersuchung der Rußentstehung innerhalb des fett-mageren Verbrennungskonzepts bei Verwendung von Kerosin

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rußentstehung in der Primärzone einer mit Kerosin betriebenen Fett/Mager Brennkammer in für Flugtriebwerke relevanten Bedingungen untersucht. Hierfür wurde eine Brennkammer konstruiert und ein passender Versuchsstand aufgebaut. Wichtig waren dabei realistische Randbedingungen wie Eintrittsgeschwindigkeit, Lufttemperatur und geometrische Abmessungen, sowie die Zugänglichkeit für optische und invasive Messungen.

Die Untersuchungen begannen mit der Messung des Strömungsfelds ohne Verbrennung mittels PIV (Particle Image Velocimetry). Die Ergebnisse zeigten, dass die versetzte Anordnung der Sekundärluftzugänge zu einem nicht symmetrischen Strömungsfeld führen. ... mehrVerbrennungsversuche ergaben, dass in dem untersuchten Aufbau für bestimmte Betriebspunkte zwei unterschiedliche Flammentypen stabilisiert werden können. So kann die Flamme sowohl abgehoben als auch am Brenner ankernd brennen. Die Untersuchungen der reagierenden Strömung mit PIV zeigten, dass sich die Flammentypen auch im mittleren Strömungsfeld unterscheiden.
Um die Interaktion des Kerosinsprays mit der Gasströmung zu untersuchen, wurde eine neue Methode zum Auswerten der PIV-Aufnahmen entwickelt. Mit dieser konnten die Geschwindigkeiten von Kerosintropfen und Gasströmung unabhängig voneinander bestimmt werden. Die Messungen ergaben, dass das Kerosin-Spray des Piloten vor allem in den inneren Bereich der Rezirkulationszone transportiert wird und dass die Pilot-Luft wenig mit diesem Spray interagiert.

Messungen des lokalen Rußvolumenbruchs mittels LII (Laserinduzierte Inkandeszen) wurden im Bereich der primären Verbrennungszone durchgeführt. Für die ankernden Flammen wurde in allen untersuchten Betriebspunkten sehr intermittierendes Rußvorkommen festgestellt. Außerdem konnte eine starke Abhängigkeit der Rußentstehung vom Kerosinspray beobachtet werden.
In den abgehobenen Flammen war in den gleichen Betriebspunkten kein Ruß messbar. Dies war erst bei deutlich brennstoffreicheren Gemischen der Fall. In diesen Flammen war das Ruß-Verhalten nicht intermittierend und unabhängig vom Spray. Ruß wurde vor allem in der äußeren Rezirkulation gemessen.
Ein Vergleich der maximalen Rußvolumenbrüche der abgehobenen Flammen mit Messwerten des Rußvolumenbruchs in vorgemischten, eindimensionalen Flachflammen zeigt, dass die Rußgrenze und die gemessenen maximalen Rußvolumenbrüche ähnlich sind.
Mittels zeitaufgelöster zwei-Farben-LII wurden die Größe der Ruß-Primärpartikel in der Primärzone der Brennkammer gemessen. Wie auch bei den Messungen des Volumenbruchs wurden hier ausgeprägte Unterschiede zwischen den ankernden und den abgehobenen Flammen deutlich. Die gemessenen mittleren Partikeldurchmesser sind in den ankernden Flammen signifikant höher als in den abgehobenen Flammen.
Partikelgrößen wurden ebenfalls am Auslass der Brennkammer gemessen. Vergleicht man abgehobene und ankernde Flammen im gleichen Betriebspunkt, wurden bei den abgehobenen Flammen kleinere und deutlich weniger Rußpartikel am Brennkammerauslass gemessen als bei den ankernden Flammen.

In this work, the soot formation in the primary zone of a kerosene-fueled rich/lean combustor was investigated under conditions relevant to aircraft engines. For this purpose, a combustion chamber was designed and a suitable test rig was set up. Important factors were realistic boundary conditions such as inlet velocity, air temperature and geometric dimensions as well as accessibility for optical and invasive measurements.

The investigations started with the measurement of the flow field without combustion using PIV (Particle Image Velocimetry). The results demonstrated that the staggered arrangement of the secondary air inlets lead to a non-symmetrical flow field. ... mehrCombustion tests showed that for certain operating points two different flame types could be stabilized in the investigated setup. The flame can burn both lifted and anchored to the burner. The investigations of the reacting flow with PIV showed that the flame types also differ in the mean flow field.
To investigate the interaction of the kerosene spray with the gas flow, a new method for evaluating the PIV recordings was developed. With this Method, the velocities of kerosene droplets and gas flow could be determined independently. The measurements showed that the pilot kerosene spray is transported primarily to the inner region of the recirculation zone and that the pilot air interacts little with this spray.

Measurements of local soot volume fractionation using LII (laser-induced incandescence) were made in the primary combustion zone. For the anchored flames, very intermittent soot occurrence was found at all operating points investigated. In addition, a strong dependence of soot occurrence on kerosene spray was observed.
No soot was measurable in the lifted flames at the same operating points. This was only the case with significantly more fuel-rich mixtures. In these flames, the sooting behavior was not intermittent and was independent of the spray. Soot was measured mainly in the outer recirculation.
A comparison of the maximum soot volume fractions of the lifted flames with measured values of soot volume fraction in premixed, one-dimensional flat flames showed that the soot limit and the measured maximum soot volume fractions are similar.
Time-resolved two-color LII was used to measure the size of soot primary particles in the primary zone of the combustor. As with the volume fraction measurements, pronounced differences between the anchored and lifted flames were evident here. The measured mean particle diameters are significantly higher in the anchored flames than in the lifted flames.
Particle sizes were also measured at the outlet of the combustion chamber. Comparing lifted and anchored flames at the same operating point, smaller and significantly fewer soot particles were measured at the combustion chamber outlet in case of the lifted flames.