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  Место хранения:   061 | Институт оптики атмосферы CO РАН | Томск | Библиотека

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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