Experimental Investigation of the Prefilming Airblast Atomization Process under Periodically Oscillating Airflows

Die Luftgeschwindigkeit an dem Brennkammereintritt eines Flugzeugtriebwerks ist anfällig für Störungen im Rahmen von thermoakustischen Instabilitäten, die häufig auftreten. Diese thermoakustischen Instabilitäten entstehen, wenn die durch den Verbrennungsprozess freigesetzte Wärme instabil ist und die in der Kammer erzeugten Druckwellen mit der Eintrittsluftgeschwindigkeit verbunden sind, was die Instabilität der Wärmefreisetzung noch verstärkt. In den meisten modernen Flugzeugtriebwerken werden Prefilm-Zerstäuber eingesetzt, um den flüssigen Brennstoff in einen Sprühnebel aus Tröpfchen zu zerstäuben. ... mehrDer Zerstäubungsprozess wird durch diese unkontrollierten Instabilitäten der Eintrittsluftgeschwindigkeit beeinträchtigt, da das Funktionsprinzip dieses Typs von Zerstäuber auf einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und dem flüssigen Brennstoff basiert. Die Zerstäubungsqualität hat einen direkten Einfluss auf kritische Betriebsparameter wie das Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Brennkammer, die Flammenstabilitätsgrenzen, die Verbrennungseffizienz sowie die NOx-Emissionen. Daher ist es auch heutzutage noch notwendig, die Leistung des Zerstäubungsprozesses unter instabilen Luftströmungsbedingungen vorherzusehen.
Für eine erweiterte Untersuchung des Sprays in einer zweidimensionalen Strömung wurden ein Versuchsaufbau und ein Modell-Prefilmer entwickelt und aufgebaut, um das Verhalten des Airblast-Zerstäubungsprozesses unter instabilen Strömungsbedingungen zu ermitteln. Das Spray wurde unter verschiedenen Bedingungen eingehend untersucht und der Einfluss der oszillierenden Luftströmung auf die Tröpfchen wurde quantifiziert. Aus den experimentellen Daten des Sprayverhaltens bei verschiedenen Frequenzen lassen sich in thermoakustischen Modellen Vorhersagen für die Flammenstabilität und die Sicherheit der Triebwerke ableiten.

The inlet air velocity is prone to perturbations in the context of thermoacoustic instabilities that frequently occur in the combustion chamber of low-emission jet engines. These thermoacoustic instabilities develop when the heat released by the combustion process is unstable, and the pressure waves created in the chamber are connected to the inlet air velocity, further enhancing the instability of the heat release. Prefilming airblast atomizers are used in most contemporary jet engines to disintegrate the liquid fuel into a spray of droplets. The atomization process is affected by these uncontrolled instabilities of the inlet air velocity since the operating concept of this type of atomizer is based on a high relative velocity between the air and the liquid fuel. ... mehrThe spray quality has a direct impact on critical operational parameters such as the local and temporal air-to-fuel ratio in the combustor, flame stability limits, combustion efficiency, as well as NOx emission levels. As a result, anticipating the performance of the atomization process under unstable airflow conditions is still to this day necessary.
A test setup and a model prefilmer were designed for an extended investigation of the spray in a two-dimensional flow in order to evaluate the response of the airblast atomization process under unstable flow conditions. The spray was thoroughly investigated under various conditions and the influence of the oscillating airflow on the droplets was quantified. Predictions for flame stability and engine hardware safety may be derived in thermoacoustic models by utilizing the experimental data of the spray response under different frequencies.