Entwicklung eines Verbrennungsmodells für Brennkammern von Fluggasturbinen

A Model for Prediction of Pollutant Emissions of Aero-Engine Combustors

  • In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Optimierung der Auslegung und Regelung gestufter Brennkammern hinsichtlich der Schadstoffbildung vorgestellt. Grundlage bildet ein analytisches, eindimensionales Verbrennungsmodell für Gasturbinen-Brennkammern zur Berechnung der Emissionen von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dazu wird die Brennkammer aus einer Reihe von Reaktoren modelliert, denen anhand einer angenommenen Luftverteilung innerhalb des Flammrohrs cIn der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Optimierung der Auslegung und Regelung gestufter Brennkammern hinsichtlich der Schadstoffbildung vorgestellt. Grundlage bildet ein analytisches, eindimensionales Verbrennungsmodell für Gasturbinen-Brennkammern zur Berechnung der Emissionen von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dazu wird die Brennkammer aus einer Reihe von Reaktoren modelliert, denen anhand einer angenommenen Luftverteilung innerhalb des Flammrohrs charakteristische Brennstoff-Luft-Verhältnisse zugeordnet werden. Zur Beschreibung der wesentlichen Phänomene werden charakteristische Temperaturen definiert. Aufbauend auf der Ausbrandberechnung, in der im wesentlichen Stöchiometrie-, Dissoziations-, Kinetik- und Brennstoffaufbereitungseffekte Berücksichtigung finden, wird durch charakteristische Korrelationen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen auf das Niveau dieser Emissionen Rückschluß gezogen. Die Modellierung der Stickoxidentstehung erfolgt auf der Grundlage des Zeldovich-Mechanismus, der den für Fluggasturbinen-Brennkammern typischen Reaktionspfad zur Entstehung thermischer Stickoxide widerspiegelt. Das Modell wurde an Testdaten von verschiedenen Brennkammern konventioneller Bauart, die aus der Fachliteratur entnommen wurden, skaliert und validiert. Es wurde Wert darauf gelegt, den numerischen Aufwand zu beschränken, um durch funktionale Erweiterung zur Behandlung gestufter Brennkammern und Einarbeitung in eine Optimierungsroutine Rückschlüsse auf die zweckmäßige Auslegung und den zweckmäßigen Betrieb gestufter Brennkammern ziehen zu können. Für eine Brennkammerauslegung wurde das Betriebsverhalten untersucht, vorteilhafte Betriebsweisen vorgeschlagen und das Emissionsreduktionspotential abgeschätzt.show moreshow less
  • This thesis presents an analytical model to predict pollutant emissions of aero-engine combustion chambers as a function of combustion chamber design and operating conditions. A one-dimensional, semi-empirical approach was developed to calculate emissions of Carbon Monoxide CO, unburned Hydrocarbons UHC and Oxides of Nitrogen NOx = NO + NO2. Important parameters are characteristic temperature levels and gas residence times in the individual burning zones of a combustion chamber. They are determiThis thesis presents an analytical model to predict pollutant emissions of aero-engine combustion chambers as a function of combustion chamber design and operating conditions. A one-dimensional, semi-empirical approach was developed to calculate emissions of Carbon Monoxide CO, unburned Hydrocarbons UHC and Oxides of Nitrogen NOx = NO + NO2. Important parameters are characteristic temperature levels and gas residence times in the individual burning zones of a combustion chamber. They are determined on the basis of a known or assumed internal combustor geometry. The model has been validated against a lot of measured test data, taken from the open literature. A high degree of versatility could be demonstrated. The model was implemented in an automatic optimization procedure to enable realization of combustor design studies. The studies have been carried out for conventional and staged combustor concepts. The operational behaviour and the emissions of a staged combustor design were intensively investigated and assessed. Basic design guidelines for staged combustors, rarely published in the literature, could be confirmed by the conclusions drawn from this work.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andreas Wulff
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-2896
Advisor:Prof. Dr.) Jean ( Hourmouziadis, Prof. Dr. Helmut Pucher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2001/09/07
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2001/07/09
Release Date:2001/09/07
Tag:Brennkammer; Emissionen; Fluggasturbinen; Gestufte Verbrennung; Luftverschmutzung; Luftverunreinigung; Schadstoffe
Aeroengine Combustors; Combustors; Emissions; Pollutants; Staged Combustion
Institutes:Fachbereich 10 - Verkehrswesen und Angewandte Mechanik -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:600 Technik, Technologie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)