Teilprojekt A6 Ausmischung und Brennersignatur

Im Teilprojekt A6 werden Störungen innerhalb von Triebwerksbrennkammern untersucht und deren Auswirkungen auf die Funktionalität des Gesamttriebwerkes simuliert. Ein Ziel des Sonderforschungsbereiches ist es, Störungssignaturen im Abgasstrahl hinter dem Triebwerk zu detektieren, um frühzeitig Aussagen über den Zustand des Triebwerkes treffen zu können. Damit ist die Fragestellung verbunden, wie schnell sich solche Störungen im Heißgaspfad ausmischen und nicht mehr erkannt werden können. Mit dem Ansatz der komplexen Diffusion können Ausmischprozesse von Störungssignaturen beschrieben werden.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Einfluss eines Brennerausfalls auf die Temperaturverteilung im Triebwerk

Brennkammerstörungen beeinflussen die Eigenschaften eines Flugtriebwerks, zum Beispiel durch eine reduzierte Leistung, als auch durch eine zunehmende Bauteilbelastung der stromabwärtsliegenden Turbine. Die Ausmischung der Störung wird durch turbulente diffusive Prozesse bestimmt. Diese sind in der Brennkammer und der Turbine einer besonderen Komplexität unterworfen, die sich aus den Randbedingungen in der Brennkammer bzw. in den Strömungskanälen zwischen den Turbinenschaufeln ergeben. Hierfür wird der Ansatz der komplexen Diffusion entwickelt, der in Verbindung mit der für Flugtriebwerke üblichen gemittelten RANS-Modellierung eine vereinfachte Abschätzung der turbulenten Ausmischung erlaubt. Zur Überprüfung des Konzepts wird die Ausmischung eines manipulierten Teilstromes in turbulenten Verbrennungsanlagen verschiedener Komplexität sowohl experimentell mittels laserdiagnostischer Methoden, als auch numerisch mittels CFD untersucht. Hierbei kann der Verbrennungsprozess gezielt hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur oder Abgaskonzentration "gestört" werden.

ERGEBNISSE

In der ersten Förderperiode konnte anhand von numerischen Untersuchungen gezeigt werden, dass die Auswirkungen von Brennkammerschäden grundsätzlich im Abgas nachzuweisen sind. In der zweiten Förderperiode wurde eine idealisierte Modellbrennkammer entwickelt, an der verschiedene definierte Brennkammerschäden nachgestellt und deren Einfluss auf den Abgasstrahl experimentell untersucht werden kann. Parallel dazu wurden CFD-Modelle erprobt und Simulationen durchgeführt, um die Strömungs- und Verbrennungsvorgänge innerhalb der Brennkammer auch numerisch abzubilden. Die simulierten Daten aus den Rechnungen wurden erfolgreich mit Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten und Abgaszusammensetzung innerhalb der Brennkammer validiert. Solche Berechnungen ermöglichen zum einen die Abbildung weiterer Schadensfälle, die an der Brennkammer experimentell nicht umgesetzt werden können, und zum anderen die Zuordnung zwischen Brennkammerstörungen und Mustern im Abgasstrahl.

Zunahme der Mischungsbreite und die Ausmischung der Störung durch turbulente Diffusion (li.) und komplexe geometrieabhängige Prozesse (re.)

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Im weiteren Verlauf des Projektes wird die ermittelte Modellierung beispielhaft auf den Brennerkammerbereich der realen Triebwerksbrennkammer angewandt, um hier die Ausmischung einer Störung realistischer zu berechnen, ohne den Rechenaufwand gegenüber der RANS-Methodik zu steigern. Um dies auch in der nachfolgenden Turbine zu erproben, wird das entwickelte Modell der komplexen Diffusion an A3 übergeben und dort für die RANS-Berechnung der Turbine eingesetzt. Die verbesserte Modellierung wird mit den Ergebnissen der BOS-Dichtemessungen hinter dem Triebwerk verglichen. Die Auswirkung der komplexen Ausmischung von Brennkammerstörungen beeinflusst auch die Mustererkennungsmethodik, die für eine automatisierte Zuordnung von Messmustern auf eine Schadensbibliothek nötig ist. Mithilfe einer realistischen Abschätzung der Ausmischung wird angestrebt, die kleinsten detektierbaren Brennkammerstörungen abzuschätzen. Die Berechnung der reaktiven Prozesse in Brennkammern ist auch für andere Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen von Interesse und ermöglicht entsprechend Transferprojekte. Dies gilt auch für die Methodik zur Beschreibung der Ausmischung von Störungen.

Ausschnitt einer simulierten Temperaturverteilung innerhalb der Triebwerksbrennkammer bei reduziertem Kraftstoffmassenstrom am mittleren Brenner

VERÖFFENTLICHUNGEN

Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

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

MITARBEITER

M. Sc. Henrik von der Haar
Adresse
Welfengarten 1 A
30167 Hannover
Gebäude
Raum
209
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