Teilprojekt A4 Brennkammer-Störungen (beendet 2017)

Das übergeordnete Ziel des Teilprojektes A4 ist die Entwicklung einer Zuordnungsmöglichkeit zwischen möglichen Betriebszustandsfehlern in der Brennkammer eines laufenden Flugtriebwerkes und Messgrößen, die an dem laufenden Flugtriebwerk gemessen werden können. Auf diese Weise können Schäden oder Störungen am realen Triebwerk mit entsprechender Abgasstrahldiagnostik erkannt werden, ohne das Triebwerk zerlegen zu müssen

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Modellbrennkammer zur Untersuchung des Einflusses von Brennkammerstörungen

Brennkammerstörungen beeinflussen die Eigenschaften eines Flugtriebwerks, zum Beispiel durch eine reduzierte Leistung, als auch durch eine zunehmende Bauteilbelastung der stromabwärtsliegenden Turbine. Eine Abgasstrahlanalyse ermöglicht frühzeitige und fundierte Entscheidungen über den Zeitpunkt und den Umfang von Regenerationsmaßnahmen und ermöglicht gegebenenfalls die Verlängerung der Wartungszyklen. Das Erreichen dieses Zieles wird zusammen mit dem Teilprojekt A3 angestrebt. Während dort die Einflüsse von Störungen in der Turbine auf das Verhalten des Abgasstrahles untersucht werden, stehen im Teilprojekt A4 die Vorgänge und Schäden in der Brennkammer und ihre Auswirkungen auf den Abgasstrahl im Vordergrund. Zur Diagnostik von Störungen und Schäden werden Spezieskonzentrations- und Emissionsmessungen durchgeführt, die eine umfangreiche Analyse des Triebwerks und des Betriebszustandes ermöglichen.

ERGEBNISSE

In der ersten Projektphase wurde die Funktionsweise dieses Ansatzes zur Zustandsbeurteilung in ersten Schritten gezeigt. Experimentell wurden hierzu zwei Versuchsbrennkammer entwickelt und in Betrieb genommen. Hieran sind ausgiebige experimentelle Untersuchungen im Referenz- und im Fehlerzustand mit eingebauten Störungen durchgeführt worden. Numerisch wurden bereits umfangreiche Arbeiten durchgeführt, die sowohl eine reale Flugtriebwerksbrennkammer als auch die Modellbrennkammer betreffen. Hierbei wurden Rechnungen des Strömungsfeldes und der Verbrennungsvorgänge mittels CFD-Simulationen durchgeführt. Die simulierten Daten aus den Rechnungen wurden erfolgreich mit Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten und der Abgaszusammensetzung innerhalb der Brennkammer validiert. In beiden Fällen wurden Simulationen für den Sollzustand und den Fehlerzustand erstellt. Die Rechnungen zeigen bereits die Machbarkeit des Projektes.

Betrieb der Modelbrennkammer mit einem manipulierten Brenner

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Für die nächsten Schritte ist es wichtig, die turbulente Ausmischung von Brennkammerstörungen zu quantifizieren, da diese den Informationsgehalt zwischen der Position der Störung und dem Messort hinter dem Triebwerk reduziert. Diese Ausmischung limitiert die Anwendbarkeit einer Detektion von Brennkammerstörungen mit der Methodik der Abgasstrahlanalyse. Die Ausmischung von Störungsmustern geschieht durch diffusive Vorgänge, die Temperatur- bzw. Konzentrationsmuster verschwimmen lässt und bedarf geeigneter Modelle zur Beschreibung. Ein Ansatz bietet das Modell der komplexen Diffusion, welches in Teilprojekt A6 mit den Erkenntnissen aus A4 weiter entwickelt wird.

Simulierte CO-Verteilung am Brennkammeraustritt für einen gestörten Brennerbetrieb

VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Hartmann, U.; Hennecke, C.; Dinkelacker, F.; Seume, J. R. (2016) Automatic Detection of Defects in a Swirl Burner Array Through an Exhaust Jet Pattern AnalysisIn: J. Eng. Gas Turbines Power 139 (3)
    DOI: 10.1115/1.4034449
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TEILPROJEKTLEITER

Prof. Dr. Friedrich Dinkelacker
Adresse
Welfengarten 1A
30167 Hannover
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