Experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten und elektrischen Sprayzündung von Luftfahrtbrennstoffen

Abstract

Die vorliegende Dissertation trägt zur Entwicklung der direkten Magerverbrennung für Brennkammern von Strahltriebwerken bei. Diese bietet durch hohe Verbrennungswirkungsgrade bei kontrollierten Flammentemperaturen ein großes Potential für die Vermeidung von Stickoxiden. Jedoch sind die Bedingungen für eine erfolgreiche Zündung in großen Flughöhen wegen der hohen Luftmassenströme in der Primärzone und des Abstandes der Zündkerze von der Pilotstufe gegenüber der weit verbreiteten Fett-Mager-Verbrennung ungünstiger. Daher ist die Entwicklung von Vorhersagemethoden der Zündfähigkeit in Abhängigkeit von den globalen und lokalen Brennkammerbedingungen sowie der Position und den technischen Eigenschaften des Zündsystems im Sinne einer kostengünstigen und zügigen Brennkammerentwicklung erstrebenswert. Als mit den Untersuchungen zu dieser Dissertation begonnen wurde, hatten die numerischen Möglichkeiten zur Simulation transienter Sprayflammen bereits einen hohen Reifegrad erreicht. Im Gegensatz dazu existierte de facto kein Wissen über die Prozesse bei der Entstehung eines Sprayflammenkerns aus einem Zündfunken, welcher in seiner physikalischen Natur ein Plasma ist. Daher wird dieser Vorgang in numerischen Simulationen durch einfache Modelle substituiert, weshalb absolute Aussagen zur Zündfähigkeit einer Brennkammer bislang nicht möglich sind. Dieser Umstand kann nur mithilfe besserer Modelle geändert werden, deren Entwicklung aber Kenntnisse über die physikalische Realität bedarf. Daher wurde die experimentelle Erforschung der grundlegenden Prozesse bei der Entstehung von Sprayflammenkernen aus Zündfunken als zentrales Thema für diese Dissertation ausgewählt. Zusätzlich wurde die Weiterentwicklung eines Flammenkerns zu einer Sprayflamme genauer betrachtet, wobei der Fokus auf dem Vergleich zwischen Kerosin der Sorte Jet A-1 und einem kerosinähnlichen Gas-to-Liquid-Brennstoff (GtL-SPK) lag, um der zunehmenden Relevanz alternativer Luftfahrtbrennstoffe Rechnung zu tragen.