 | Koopman J.W.T. Numerische Auslegung einer gestuften schadstoffarmen Flugtriebwerksbrennkammer / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Antriebstechnik, Köln. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2010. - xxv, 147 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 10-02). - ISSN 1434-8454
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Inhaltsverzeichnis .............................................. i
Abbildungsverzeichnis ......................................... vii
Tabellen Verzeichnis ........................................... xv
Formelzeichen und Abkürzungen ................................ xvii
Lateinische Zeichen .......................................... xvii
Griechische Zeichen ............................................ xx
Exponenten ................................................... xxiv
Abkürzungen .................................................. xxiv
Chemische Symbole ............................................. xxv
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Motivation .............................................. 1
1.2 Zielsetzung und Lösungsstrategie ........................ 1
1.3 Aufbau der Arbeit ....................................... 2
2 Grundlagen schadstoffarmer Verbrennung in Gasturbinen ........ 5
2.1 Verbrennung und Stabilisierung .......................... 5
2.2 Ausbrand ................................................ 6
2.3 Umweltaspekte ........................................... 7
2.4 Schadstoffarme Brennkammerkonzepte ...................... 8
2.4.1 Historische Entwicklung .......................... 8
2.4.2 Moderne Konzepte ................................. 9
2.4.2.1 Magere Vormischverbrennung ............. 10
2.4.2.2 Fett-Mager-Verbrennung ................. 11
2.4.2.3 Stufung der Luft und/oder des
Brennstoffs ............................ 12
2.4.3 Zukunftsweisende Entwicklungen .................. 13
3 Wärmefreisetzung und Schadstoffe. Modelle und
numerisches Verfahren ....................................... 15
3.1 Verbrennung und Wärmefreisetzung ....................... 15
3.1.1 Einteilung turbulenter Flammen durch das
Borghi Diagramm ................................. 15
3.1.2 Turbulente Wärmefreisetzung ..................... 19
3.1.2.1 Stofftransport mit endlichen
chemischen Raten ....................... 19
3.1.2.2 Nicht vorgemischte Verbrennung ......... 21
3.1.2.1 Vorgemischte Verbrennung ............... 22
3.1.2.4 Teilvorgemischte Verbrennung ........... 22
3.1.2.5 Transport einer
Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ...... 22
3.1.2.6 Benutztes Wärmefreisetzungsmodell ...... 23
3.2 Verbrennung und Schadstoffe ............................ 24
3.2.1 Kerosinverbrennung .............................. 24
3.2.2 Zwischenprodukte und Schadstoffe ................ 25
3.3 Numerisches Verfahren .................................. 28
3.3.1 Fluent .......................................... 28
3.3.1.1 Turbulenzmodelle ....................... 28
3.3.1.2 Turbulente Wärmefreisetzung und
Zwei-Phasen-Strömung ................... 30
3.3.1.2.1 Fluent Modelle .............. 30
3.3.1.2.2 Gewählte
Startbedingungen der
diskreten Phase ............. 30
4 Schadstoffarme Brennkammer .................................. 31
4.1 Vorgaben ............................................... 31
4.2 Gesamtbrennkammerkonzept ............................... 32
4.2.1 Abmessungen und Aufenthaltszeiten ............... 32
4.2.2 Die Hauptstufe .................................. 33
4.2.2.1 Skalierung des Hauptbrenners ........... 33
4.2.3 Die Pilotstufe .................................. 35
4.2.3.1 Fett-Mager-Stufung für die
Pilotstufe ............................. 35
4.2.3.2 Geometrie der Sekundärzone der
Pilotstufe ............................. 36
4.3 Aufteilung der Zonen ................................... 36
4.4 Kühlung ................................................ 37
4.5 Luftführung der Pilotstufe ............................. 38
4.5.1 Aufteilung der Luftströme der Brennkammer ....... 38
4.5.2 Wiederzünden in der Höhe ........................ 39
4.5.2.1 Abmessungen der Primärzone ............. 41
4.6 Stufung der DLR-Brennkammer ............................ 41
4.6.1 Luftbedarf des Pilotbrenners als alleiniger
Antrieb ......................................... 42
4.6.2 Brennstoffanteil der Hauptbrenner ............... 43
4.6.3 Stöchiometrie der Stufung ....................... 44
4.6.4 Stufungspunkte .................................. 45
4.6.5 Stufungsplan .................................... 46
4.6.6 Nachteile der Stufung ........................... 47
4.6.1 5 Numerische Rechnungen ........................ 49
5.1 Rechengebiet und Randbedingungen ....................... 49
5.2 Eintrittsbedingungen ................................... 51
5.2.1 Einströmung durch die Brennstoffdüsen ........... 51
5.2.1.1 Strömung durch die Pilotdüse ........... 51
5.2.1.2 Strömung durch die Hauptdüse ........... 52
5.2.2 Aufteilung der Kühl- und Sekundärluft
der Pilotstufe .................................. 54
5.2.2.1 Widerstandskoeffizienten ............... 55
5.2.3 Wandkühlung ..................................... 57
6 Optimierung der Zumischung der Pilotstufe ................... 59
6.1 Einmischung ............................................ 59
6.1.1 Theoretische Optimierung ........................ 59
6.2 Die Strömung der nicht reagierenden Pilotstufe ......... 61
6.2.1 Primärzonenströmung ............................. 62
6.2.2 Strömung und Mischung in der Mischzo............. 63
6.3 Mischung ............................................... 65
6.3.1 Verlauf des gemittelten Mischungszustands ....... 66
6.3.2 Dimensionsloses Luft-Brennstoff-Verhältnis ...... 67
6.3.3 Vermischungsmechanismen ......................... 67
6.3.4 Einmischung in die Primärzone ................... 69
6.4 Optimierung der Eindüsung .............................. 70
6.4.1 Schrägstellung der Eindüsung .................... 70
6.4.2 Einfluss der Krümmung ........................... 73
6.4.3 Anzahl der Eindüsungen .......................... 74
6.4.4 Drallrichtung der Brennstoffdüsen ............... 77
7 Wärmefreisetzung und Stickoxidemissionen der axial
gestuften Brennkammer ....................................... 83
7.1 Axial gestufte RRD-Brennkammer ......................... 83
7.1.1 Reaktionszone, Temperaturen und
Geschwindigkeiten in der RRD-Brennkammer ........ 84
7.1.1.1 Die Hauptstufe ......................... 84
7.1.1.2 Die Pilotstufe ......................... 88
7.1.2 Stickoxid-Emission .............................. 90
7.2 Axial gestufte DLR-Brennkammer ......................... 92
7.2.1 Strömung ........................................ 92
7.2.1.1 Strömung in der Primärzone der
Pilotstufe ............................. 93
7.2.1.2 Strömung und Mischung in Misch-
und Sekundärzone der Pilotstufe ........ 94
7.2.1.3 Strömung und Mischung in der
Hauptstufe ............................. 95
7.2.2 Vermischung ..................................... 96
7.2.2.1 Qualität der Vermischung der
Pilotstufe ............................. 99
7.2.2.2 Qualität der Vermischung der Pilot-
und Hauptstufenströme ................. 101
7.2.3 Wärmefreisetzung ............................... 101
7.2.3.1 Hauptstufe ............................ 102
7.2.3.2 Pilotstufe ............................ 103
7.2.4 Konzentrationsverteilungen ..................... 104
7.2.4.1 Wärmefreisetzung ...................... 105
7.2.4.2 NO-Bildung ............................ 105
7.2.5 Stickoxid-Emission ............................. 106
7.2.5.1 Bildung des Stickoxids ................ 107
7.2.5.1.1 Vereinfachte
NO-Bildungsraten ........... 112
7.2.5.2 Optimierung der Geometrie der
Zumischung der Pilotstufe ............. 113
7.2.5.2.1 Primärzone der
Pilotstufe ................. 114
7.2.5.2.2 Mischzone der Pilotstufe ... 114
7.2.5.2.3 Sekundärzone der
Pilotstufe ................. 115
7.2.5.2.4 Gesamte Pilotstufe ......... 116
7.2.5.3 Auswirkung auf die Stickoxidbildung
der Hauptstufe ........................ 116
7.2.5.4 Stickoxidemission der gesamten
Brennerkammer ......................... 118
7.3 Vergleich der RRD mit der DLR-Brennkammer ........... 118
8 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick ........... 121
8.1 Zusammenfassung ....................................... 121
8.2 Schlussfolgerungen .................................... 124
8.3 Ausblick .............................................. 126
Literaturverzeichnis .......................................... 127
Anhang A: Zündverzug-und Reaktionszeit von Methan ............. 135
Anhang B: Reaktionsmechanismus fiir Stickoxid und
Zwischenprodukte .................................... 139
Anhang C: Anmerkungen zu den numerischen Berechnungen ......... 141
C.1. Anfangs- und Randbedingungen .......................... 141
C.l.1 Wand ........................................... 141
C.1.2 Periodischer oder symmetrischer Rand ........... 141
C.1.3 Einlass und Auslass ............................ 142
C.2. Strömung, Modelle und Verankerung ..................... 143
C.2.1 Turbulenz ...................................... 144
C.2.2 Wärmefreisetzung ............................... 145
C.2.3 Verankerung der numerischen Rechnungen ......... 145
C.2.3.1 Anpassungen in der RRD-Brennkammer .... 146
C.3 Diskussion ............................................ 147
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