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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modellstrahltriebwerks für die Anwendung im Modellflug. Ein Team aus vier Teilnehmer hatte die Aufgabe ein Modellstrahltriebwerk aus konstruktiver und fertigungstechnischer Sicht zu entwerfen. Dazu wurden die aktuell gängigen Modellstrahltriebwerke am Markt analysiert und eine Variante entworfen, die den Anwendungsbereich mit optimalen Bedingungen abdeckt. Die Arbeit beschäftigt sich spezifiziert mit der Auslegung und Konstruktion des Triebwerks, um eine sichere und zugleich effiziente Bauweise zu garantieren. Ebenso Teil dieser Arbeit ist ein Prüfstand, welcher den Schub in Abhängigkeit der Drehzahl des Triebwerks misst. Diese Aufgabe wurde in Arbeitspakete auf die einzelnen Teilnehmer aufgeteilt. Weiters ist der optimale Betriebszustand des Triebwerks ein Teil dieser Arbeit, welcher den CO2-Ausstoß in Hinblick auf den spezifischen Verbrauch berücksichtigt. This thesis deals with the development of a model jet engine for use in model flight. A team of four participants had the task of designing a model jet engine from a design and manufacturing perspective. For this purpose, the current model jet engines on the market were analyzed and a variant was designed that covers the application range with optimal conditions. The work deals specifically with the design and construction of the engine in order to guarantee a safe and at the same time efficient design. Also part of this work is a test bench, which measures the thrust as a function of the engine speed. This task was divided into work packages among the individual participants. Furthermore, the optimal operating condition of the engine is part of this work, which takes into account the CO2 emissions in terms of specific consumption.

In the frame of the DLR interdisciplinary project \"Future Fuels\" the DLR Institutes of Space Propulsion, Combustion Technology and Structures and Design are developing different green propellant systems for the use in rocket engines in the sub-project Advanced Rocket Propellants (TP5). Besides the propellants itself, also combustion chamber structures made of a variety of light-weight and high temperature stable ceramic matrix composites (CMC) are in the focus. These so-called C/C-SiC and SiC/SiCN materials are based on carbon or silicon carbide fibers, embedded in carbon and silicon carbide (C/C-SiC) or silicon carbon nitride (SiC/SiCN) matrices. C/C-SiC materials have been developed at DLR since the late 1980s and are manufactured via the liquid silicon infiltration (LSI) process. The LSI process is based on three process steps. In the first step, carbon fibre reinforced polymer (CFRP) preforms are manufactured in near net shape technique. For the tubular combustion chambers, CFRP tubes with an inner diameter of 36 mm have been made based on three different carbon fibre types (high tenacity (HT), intermediate modulus (IM) and ultra-high modulus (UHM)) and two different manufacturing methods. HT fibre based CFRP tubes were made via the so-called prepreg wrapping method, using 2D carbon fibre fabric, pre-impregnated with phenolic resin, as well as via wet filament winding technique. For IM and UHM fibre-based tubes, wet filament winding with a phenolic resin precursor was used, only. In the second process step, the CFRP tubes were pyrolyzed at a maximum temperature of 1650 C in nitrogen atmosphere, leading to carbon fibre reinforced carbon (C/C) preforms. In the third and last process step, the C/C preforms were siliconized at 1650 C in vacuum. Thereby, molten Si was infiltrated in the porous C/C by capillary forces and the SiC matrix was built up by a chemical reaction of Si and C, leading to dense C/C-SiC tubes. Since C-fibres are prone to oxidation at temperatures exceeding 450C and water vapour degradation beyond 800C and are thus limited to short term applications at high temperatures, a new approach with higher oxidation and corrosion resistant SiC-fibres was considered. Therefore, SiC-fibres were filament wound on a mandrel and infiltrated with a Si-based preceramic polymer (polysilazane) via resin transfer moulding (RTM). After curing and pyrolysis, the porous SiC/SiCN tube was densified by repeated cycles of precursor infiltration and pyrolysis. (PIP-method), leading to fairly dense SiC/SiCN tubes. The mechanical properties of the CMC tubes were determined by internal pressure tests, using an adapted test set-up for hydraulic testing at room temperature. Material composition was investigated on samples in the scanning electron microscope. The tube quality was controlled by process-accompanying inspections as well as by computer tomography. In this presentation, the manufacture of the different CMC tubes and liners is described in detail. Test results are shown and correlated to the fiber types and manufacturing methods. Furthermore, a new concept and manufacturing method for a cooled combustion chamber, based on a sandwich structure, will be presented.

形態: カラー図版あり, Physical characteristics: Original contains color illustrations, Accepted: 2019-10-14, 資料番号: PA2020017000

Abstract Records of the time-varying temperature profile at flight relevant operating conditions are acquired at the exit of a combustion chamber fitted with a staged, lean-burn fuel injector using high-speed laser induced fluorescence (LIF) at a sample rate of 10 kHz. Temperatures are estimated from the concentration dependent fluorescence of the hydroxyl (OH) radical under the assumption of local equilibrium. Beyond the time-series analysis, the acquired data is correlated with simultaneously acquired OH chemiluminescence sampled in the primary zone near the fuel injector. These analyses reveal a strong influence from the precessing vortex core, originating in the primary zone, on oscillations in the temperature profiles measured at the exit of the combustor. Graphic abstract

SiC/SiCN ceramic matrix composites (CMCs) are promising candidates for components of aero-engines. To evaluate the properties of these CMCs under realistic conditions, a quasi-flat panel with effusion cooling holes was investigated in a high pressure combustor rig. A Tyranno SA3 fabric-based SiC/SiCN composite with high strength and strain to failure was manufactured via polymer infiltration and pyrolysis process. Due to its weak matrix no fiber coating was necessary for damage tolerant behavior. The cooling holes in the panel were introduced via laser drilling. An outer coating of CVD-based SiC was finally applied for enhanced oxidation resistance. The specimen was tested in the combustor rig and the cooling effectiveness was evaluated. The microstructure of laser machined holes was studied via microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The macrostructure was investigated via computing tomography scans before and after the combustor test. Material performances at higher temperatures were estimated via a material performance index. Local microstructure modifications were observed after laser drilling. No crack formation was observed in the CMC panels after rig tests. The measured global cooling effectiveness of 0.76 and the analytical performance evaluation demonstrate the potential benefit of SiC/SiCN materials in combustor applications.

High-speed particle image velocimetry measurements were performed at the exit of a pressurized lean-burn combustion chamber fueled with kerosene and operated at flight relevant conditions (elevated pressure and pre-heated supply air). The aim was to obtain information on the turbulent nature of the exhaust flow as this is of relevance for the modelling of aero-thermal dynamics of the combustor-turbine interface, such as heat transfer on the outlet guide vanes and turbulence induced noise. Two-component velocity data was sampled at 20 kHz along a narrow strip and used to obtain frequency spectra and correlations. Synchronously acquired chemiluminescence of the OH radical in the primary zone exhibited a notable tonal peak near 100 Hz that could also be detected in the circumferential velocity component at one operating condition.

Dieses Papier beschreibt zu Beginn und in aller K��rze den zugrunde liegenden Kraft-Prozess, gefolgt von einer Beschreibung des Problems. Der Hauptteil konzentriert sich auf die Beschreibung eines Programms f��r Brennkammern zur Bestimmung der reagierenden Stoffmengen, der Verbrennungstemperatur mit konvektiven W��rmeverlusten sowie der aufund abstr��menden Stoffstromrichtungen. Das Modell ist eindimensional und bezieht sich speziell auf den Schwarzlaugekessel, aber der modulare Aufbau ist besonders erw��hnenswert, da eine Vielzahl von verschiedenen Brennkammern berechnet werden k��nnen. Im Prinzip besteht das System aus einer Reihe von chemischen Reaktionen und einer beliebigen Anzahl von Schichtebenen mit einer Kraftstoffund/oder Luftzufuhr. In Bezug auf den Schwarzlaugekessel wird ein Modell beschrieben, das sich mit den Vereinfachungen und Annahmen dieses Kessels befasst. Im mittleren Teil der Arbeit wird die theoretische Berechnung vorgestellt, die die mathematische Grundlage und die darin enthaltenen Vereinfachungen und Annahmen enth��lt. Nach der mathematischen Grundlage wird der Code Schritt f��r Schritt diskutiert und n��her analysiert. Die Grundstruktur des Programms und ein Flussdiagramm mit dem genauen Ablauf werden dargestellt. Auch die Berechnung der Temperatur jeder einzelnen Zelle sowie der Austausch der Stoffmengen untereinander werden vorgestellt. Eines der letzten Kapitel beschreibt die Verifikation des Programms mit bestehenden Beispielen und den Vergleich mit anderen Berechnungsprogrammen. Die Zusammenfassung und die Zukunftsaussichten dieses Modells komplettieren die Arbeit., This paper describes at the beginning and in a nutshell the underlying Kraft-process followed by a description of the problem. The main part concentrates on the description of a program for combustion chambers to determine the reacting mass quantities, the combustion temperature with convective heat losses and upward and downward mass flow directions. The model is 1-dimensional and refers specifically to the black liquor boiler, but the modular design is particularly noteworthy, allowing a variety of different combustion chambers to be calculated. In principle, it consists of a set of chemical reactions and any number of layers with a fuel or air supply. With regard to the black liquor boiler, a model is described that deals with the simplifications and assumptions of this boiler. In the middle part of the paper the theoretical calculation is presented, which contains the mathematical basis and the simplifications and assumptions which are included in it. After the mathematical basis, the code is discussed step by step and analysed in more detail. The basic structure of the program and a flow chart showing the exact procedure are shown. Also the calculation of the temperature of each single cell as well as the exchange of the substance quantities among each other are presented. One of the last chapters describes the verification of the program with several comparisons of existing examples or the comparison with other calculation programs. The summary and future prospects of this model complete the work.

Es werden Messungen von Geschwindigkeit und Temperatur am Austritt eines Magerbrennkammer-Sektors vorgestellt, der in Teillast ungestuft bei realistischen Bedingungen betrieben wird. Die eingesetzten Verfahren sind die Particle Image Velocimetrie und die Laser-induzierte OH Fluoreszenz. Das Geschwindigkeitsfeld weist am Austritt noch die Drehbewegung auf, die von den Drallerzeugern der Magerbrenner induziert wird. Durch die Wärmefreisetzung des Pilotbrenners wird diese im Vergleich zur isothermen Strömung noch verstärkt, während der Turbulenzgrad im Gegensatz dazu kleiner wird. Die turbulenten Längenmaße, die aus den momentanen Geschwindigkeitsfeldern abgeleitet wurden, deuten auf eine Präzessionsbewegung des Brennerwirbels hin. Die Temperaturmessungen zeigen eine Temperaturerhöhung im gesamten Querschnitt und demonstrieren so die turbulente Durchmischung des Rauchgases der Pilotverbrennung. Jedoch verbleibt ein heißer Kern im Zentrum des Sektors. Diese Informationen dienen dem verbesserten Verständnis des hochenergetischen Übergangs zwischen Brennkammer und Turbine und bilden somit auch einen Beitrag zur Vermeidung von Effizienzverlusten von Triebwerken mit Magerbrennkammern.

En 2007 et 2009, deux ateliers de production de terres cuites architecturales ont été mis au jour lors de sondages archéologiques dans le nord du Cotentin. Leur proximité et le voisinage de l’agglomération antique du Hameau Dorey, à Montaigu-la-Brisette, soulevaient la question des gisements d’argile exploités et celle de l’approvisionnement du site urbain et des autres sites ruraux alentours, notamment en matériaux de couverture. Le premier volet de cette étude croisée vise à la comparaison technique des ateliers et de leurs productions, en dressant des typologies par grands types de produits. Le second porte sur les déterminations physico-chimiques et pétrographiques des argiles et des échantillons de production collectés sur les deux ateliers, ainsi que sur les lieux de mise en œuvre potentiels : les villes antiques de Montaigu-la-Brisette et de Valognes, ainsi que les établissements ruraux du Nord-Cotentin. En définitive, si la fabrication de tuiles et de briques est globalement standardisée, répondant à des constantes, notamment en termes de dimensions et de façonnages, des différences sensibles sont à remarquer dans les techniques employées et les gisements exploités, même si ces derniers restent difficiles à discriminer (même signature chimique). Quant à la diffusion des produits, elle semble s’être limitée au bassin de la Saire et, donc, ne pas avoir atteint les deux villes connues du secteur, en l’état des connaissances. In 2007 and 2009, two terra cotta workshops were discovered during an archaeological evaluation in the north of the Cotentin. Their proximity to each other and the location of the nearby Roman settlement of Hameau Dore at Montaigu-la-Brisette, questions the clay deposits and the provision of roof elements for the urban site and the surrounding rural settlements. The first part of this study aims to technically compare the workshops and their productions using typologies by product type. The second part tackles the physico chemical and petrographical determinations of the clays and the samples of the production from each workshop and from the sites that would have used these products: the Roman towns of Montaigu-la-Brisette and Valognes as well as the rural settlements in the North Contentin. Finally, if the production of tiles and bricks is standardised, in terms of size and production, there are differences in the techniques and the deposits even if, for the deposits this is difficult to establish (even chemically). The diffusion of the production seems to be limited to the Saire basin and does not seem to have reached the two known Roman towns of the area. In den Jahren 2007 und 2009 wurden zwei Werkstätten zur Herstellung von Ziegeln anlässlich von archäologischen Baggersondagen im Norden von Cotentin freigelegt. Ihre räumliche Nähe und ihre Nachbarschaft zur antiken Ansiedlung von Hameau Dorey bei Montaigu-la-Brisette werfen die Frage nach den dort ausgebeuteten Tonvorkommen sowie nach der Versorgung der städtischen Siedlung und der umliegenden ländlichen Siedlungen auf, insbesondere bezüglich des zum Dachdecken genutzten Materials. Der erste Abschnitt dieser interdisziplinären Studie betrifft den technischen Vergleich der freigelegten Werkstätten und ihrer Produktion, insbesondere die typologische Einordnung der hergestellten Tonziegel. Der zweite Abschnitt beschäftigt sich mit den physikalisch-chemischen Bestimmungen der nachgewiesenen Tonvorkommen sowie von Materialproben, die aus den beiden Werkstätten stammen. Ferner wurde Fundmaterial analysiert, das aus den möglichen Absatzorten stammt, den antiken Städten von Montaigu-la-Brisette und von Valognes, sowie aus ländlichen Siedlungen der Region des nördlichen Contentin.Selbst wenn die Produktion von Ziegeln und Backsteinen generell sehr standardisiert war und konstant den Anforderungen an Größe und Formgebung entsprechen musste, so lassen sich deutliche Unterschiede bei den angewandten Techniken und den ausgebeuteten Tonvorkommen beobachten, auch wenn letztere aufgrund ihrer weitgehend identischen chemischen Signatur nur schwer auseinandergehalten werden können. Was die Verbreitung der Produktion betrifft, so scheint diese in unserem Fall auf das Becken der Saire beschränkt gewesen zu sein. Nach heutigem Stand der Erkenntnisse hat sie die beiden bekannten antiken Städte der Region nicht erreicht. En 2007 y 2009, dos talleres de producción de terracotas fueron desenterrados durante las prospecciones arqueológicas en el norte de Cotentin. Su proximidad con la ocupación antigua del Hameau Dorey en Montaigu-la-Brisette, plantearon la cuestión de los yacimientos de arcilla y la del abastecimiento del sitio urbano y de los sitios rurales de las afueras, en particular para el material de cobertura. La primera parte de este estudio transversal tiene como objetivo comparar los talleres técnicos y sus producciones, mediante la elaboración de tipologías de los principales tipos de productos. La segunda parte concierne las características físico-químicas y petrográficas de las arcillas y de las muestras de producción recogidas en el sitio de los dos talleres y en los lugares de aplicación potenciales: las antiguas ciudades de Montaigu-la-Brisette y Valognes, y los establecimientos rurales de la región de Nord-Cotentin. En última instancia, si la fabricación de tejas y ladrillos está generalmente estandarizada, especialmente en términos de dimensiones y fabricación, hay que notar diferencias significativas en las técnicas utilizadas y los yacimientos explotados, incluso si son difíciles de discriminar (misma firma química). En cuanto a la distribución de los productos, parece estar limitada a la zona de la Saire y, por tanto, no ha llegado a alcanzar a las dos ciudades famosas del sector.

Illustrationen, Diagramme

A method for measurements of planar temperature distributions based on planar laser-induced fluorescence (PLIF) of the OH radiacal is described. The technique was developed specifically for the application in lean combustion systems, where OH equilibrium concentrations are largely independent on equivalence ratio and a function of temperature only. It is thus possible to derive a temperature information from measurements of absolute OH concentration, which can be obtained from a combined PLIF/absorption measurement. This paper discusses the basics of the method, and describes validation experiments in high pressure laminar premixed flames which were performed to asses its applicability and accuracy. Therefore, we compared our LIF based results with CARS measurements performed in the same flames. Finally, an example for the application in a lean gas turbine model combustor is discussed.

Getrieben durch die strengen klimapolitischen Emissionsrichtlinien sowie die Endlichkeit fossiler Ressourcen hat die Erforschung von brennstoffflexiblen Gasturbinen in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Die Verbrennung von alternativen gasförmigen Brennstoffen erfolgt nicht nur CO2-neutral, sondern ermöglicht auch einen Betrieb mit verringerten Schadstoffemissionen im Vergleich zum Betrieb mit fossilen Brennstoffen. Eine weitere Möglichkeit anthropogene Treibhausgasemissionen zu verringern ist die Abscheidung des CO2 aus dem Abgasvolumenstrom in Verbindung mit dem Betrieb unter Abgasrezirkulationsbedingungen. Bisher bevorzugt in fossil befeuerten Anlagen eingesetzt, wird durch die Rezirkulation der Abgase die CO2-Konzentration im Abgasstrom angehoben und der zu behandelnde Abgasvolumenstrom verringert. Dadurch kann die Baugröße der CO2-Abscheideanlage deutlich verringert und damit die Investitions- und Be-triebskosten gesenkt werden. Zusätzlich wirkt sich der Betrieb mit durch CO2 angereicherter Verbrennungsluft positiv auf die Stickoxid-Emissionen aus. Beide der oben genannten Betriebsmodi haben einen direkten Einfluss auf das Verbrennungsverhalten, der bisher lediglich getrennt voneinander untersucht worden ist. Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des kombinierten Effekts von veränderlichen Brennstoff- und Luftzusammensetzungen auf das Stabilitäts- und Emissionsverhalten einer generischen Gasturbinenbrennkammer. In einem ersten Schritt wird hierzu eine reaktionskinetische Parameterstudie durchgeführt, um die zugrun-deliegenden Mechanismen des im Vergleich zur Erdgasfeuerung veränderten Verbrennungsverhaltens zu identifizieren. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich mit den experimentellen Untersuchungen an einer drallstabilisierten, teilvorgemischten Gasturbinenbrennkammer. Das Stabilitäts- und Emissionsverhalten dieser Brennkammer bei Abgasrezirkulationsbedingungen wird für das Referenzgas Erdgas sowie für nieder- und mittelkalorische regenerative Brenngase vermessen. Dabei wird der Einfluss auf das Betriebsverhalten sowohl bei Volllast als auch bei Teillast bestimmt. Ferner wird das Mischungsverhalten des Brenners durch den Einsatz unterschiedlicher Brenngasdüsen variiert, um den Ein?uss der Inhomogenität des Brennsto?-Luft-Gemischs auf die Zielparameter zu ermitteln. Die ermittelten Ergebnisse führen zu einer optimierten Betriebsstrategie für eine brennstoffflexible Gastur-binenbrennkammer. Diese Betriebsstrategie bietet einen breiten Stabilitätsbereich im Frischluftbetrieb zu Lasten der durch die Verbrennung produzierten Stickoxidemissionen. Durch ein Umschalten auf den Betrieb unter Abgasrezirkulationsbedingungen können diese Emissionen reduziert werden. Abschließend wird untersucht, ob die experimentellen Betriebsgrenzen bei Betrieb mit den alternativen Brenngasen unter Abgasrezirkulationsbedingungen mittels eines idealen Rührreaktors und eines Referenz-datensatzes abgeschätzt werden können. Die Untersuchung zeigt, dass für die teilvorgemischte Brennkammer die Betriebsgrenzen aller alternativen Brenngase bis auf ±10% vorausgesagt werden können., Driven by today’s climate change policy and ever increasing demands of emission guidelines as well as the finite nature of the fossil fuel supply, the development of fuel flexible gas turbines has taken on a greater importance in the last years. Not only does the combustion of alternative gaseous fuels have a neutral CO2 balance, but further it permits an operation with lower pollutant emissions in comparison to the combustion of fossil fuels. Another possibility of reducing anthropogenic greenhouse gas emissions is the sequestration of CO2 from the exhaust gas volume stream in combination with the operation under flue gas recirculation conditions. Up until now, this latter operational mode has been primarily implemented in fossil fuel fired power plants. Due to the recirculation of the exhaust gases, the CO2 content of the resulting exhaust gases is increased. Furthermore, the volume flow of the exhaust gases that are to be treated in the CO2 sequestration plant is decreased. As a result, the size of these plants can be reduced resulting in lower investment and operational costs. Additionally, the operation with a CO2 enriched oxidizer has a beneficial effect on the nitric oxide emissions. Both of these above mentioned operational modes have a direct impact on the combustion characteristics, that has only been studied separately up until now. This dissertation focuses on the investigation of the combined effect of variable fuel gas and oxidizer compositions on the stability and emission characteristics of a fuel flexible generic gas turbine combustor. In a first step, a parameter study of reaction kinetics is performed to identify the basic underlying mechanisms which are responsible for the change in combustion characteristics when switching from natural gas to alternative fuel gases. The main part of this thesis concentrates on the experimental investigation of a swirl stabilized, partially premixed gas turbine combustion chamber. The stability and emission characteristics of this combustion chamber under flue gas recirculation conditions are investigated for the fossil reference fuel natural gas as well as for low and mid calorific regenerative fuel gases. The influence on the operational characteristics are established at full and partial load. Furthermore, the mixing behavior of the burner is altered via the use of variable burner nozzles in order to determine the influence of the inhomogeneity of the air-gas mixture on the goal parameters. The results of the above mentioned investigations lead to an optimized operational strategy for a fuel flexible gas turbine combustion chamber. This strategy offers a broad range of operational stability in fresh air operation with the drawback of heightened nitric oxide emissions. By switching to flue gas recirculation operation, the nitric oxide emissions can then be reduced. Finally, an attempt to numerically estimate the experimentally investigated boundaries of the operational field with the alternative fuel gases under flue gas recirculation conditions by using a perfectly stirred reactor with a reference dataset for natural gas is undertaken. The investigation shows, that the boundaries of the operational field for all alternative fuel gases can be determined within a tolerance limit of ±10% for the partially premixed combustor.

Effusion cooling is an advanced cooling concept for modern aeroengine combustors and offers a very stable convective coolant film along the wall combined with heat removal inside each hole. In order to find the best positions of the cooling holes, CFD calculations with conjugate heat transfer can be done to predict wall temperature distributions. An extensive CFD simulation with local grid refinement is required to evaluate near wall phenomena. A combustor with complex effusion hole pattern leads to large computational meshes for both the fluid and the solid increasing the computational costs. A helpful approach to speed up calculations is to replace the cooling holes by a set of new in- and outflow boundary conditions for virtual effusion holes. Computational costs and time for the design process can be saved. In the paper the cooling concept of a combustor liner with 368 virtual cooling holes is shown and the influence of the combustion near the wall is investigated. The combustion model used allows to account for kinetic effects in the near wall region.

In solarthermischen Kraftwerken (Concentrating Solar Power (CSP)-Kraftwerken) dient die solare Direktnormalstrahlung (DNI: Direkt Normal Irradiation) als Wärmequelle für einen thermodynamischen Kreisprozess. Somit handelt es sich um Kraftwerke für Regionen mit hoher solarer Direktstrahlung (> 1.500 kWh/m²a). Aufgrund hoher Konzentration der Strahlung in den Solarkollektoren erreichen Solarturmkraftwerke höhere Systemwirkungsgrade als Solarkraftwerke mit Parabolrinnen. Das Maximum des Systemwirkungsgrades eines Solarturmkraftwerks liegt bei einer maximalen Prozesstemperatur von rund 1.000 °C, z. B. [1]. Da dieses Temperaturniveau bei Dampfkreisprozessen nicht erreicht werden kann, erscheint es sinnvoll, die Hochtemperatur-Solarwärme primär in einen Gasturbinenprozess einzuspeisen. Dies geschieht durch externe Aufheizung der aus dem Verdichter austretenden Luft einer Gasturbinenanlage (GTA). Durch die seriell oder parallel zur Solarwärmeeinspeisung angeordnete Brennkammer (Bild 1) kann ein derartiges solar-hybrides Gasturbinensystem eine bedarfsgerechte Stromerzeugung ohne Back-up-Erzeugereinheiten auch bei jahres- und tageszeitlichen Schwankungen des Solarwärmeangebots gewährleisten.

In the framework of the High Performance Oxide Ceramics program (HiPOC), three different oxide/oxide ceramic matrix composite (CMC) materials are studied for a combustion chamber application in continuation of the work reported in Gerendas et al. [1]. A variation in the micro-structural design of the three CMC materials in terms of different fiber architecture and matrix processing are considered in a first work stream. By modification of the matrix and the fiber-matrix interface as well as the application of an environmental barrier coating (EBC), the high temperature stability is enhanced. Furthermore, design concepts for the attachment of the CMC component to the metal structure of the engine are finalized in a second work stream. Issues like sealing of cooling leakage paths, allowance for the different thermal expansion and the mechanical fixation are addressed. An interim standard of the mechanical attachment scheme is studied on a shaker table. Also the friction coefficient between the metallic and ceramic components is analyzed in order to set the proper tightening torque. The manufacturing of the CMC combustor is improved in several iterations in order to achieve a high quality material with optimized fiber architecture. Afterwards, two CMC materials are selected for the combustion testing and the finalized design of the metallic and CMC components is manufactured. A fit check is performed prior to EBC application and laser drilling of the effusion holes in order to evaluate the impact of the manufacturing tolerances on the function of the sealing and attachment scheme and to correct small issues at this stage. First results from the validation testing in a high-pressure tubular combustion rig up to a Technology Readiness Level 4 (TRL4) are reported.Copyright © 2013 by ASME and Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

Die Modellierung technischer Verbrennungssysteme bedarf effizienter und zugleich präziser Modelle, welche die Kopplung von Turbulenz und Verbrennung korrekt beschreiben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Bewertung von turbulenten Verbrennungsmodellen zur Simulation moderner Magerbrennkonzepte für gasförmige sowie flüssige Brennstoffe. Die Konzepte werden anhand von Modellflammen validiert sowie auf komplexe technische Systeme angewandt und diskutiert.

graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken mit deutlich verringerten Emissionen auf der Grundlage der Magerverbrennungstechnologie spielt die Pilotstufe des Brenners eine entscheidende Rolle im Hinblick auf Stabilität, Betriebsverhalten, sowie NOx- und Rußproduktion. Zu den Faktoren, die die Leistungsmerkmale eines Pilot-Brenners beeinflussen, gehören Mischungsgüte in der Pilotzone, Kraftstoff-Platzierung, Struktur des Strömungsfeldes und Wechselwirkung mit der Hauptstufe. Die Charakterisierung und das Verständnis dieser Prozesse sind daher von besonderem Interesse. Pilot-Brenner mit Druck- und Luftstromzerstäubung wurden in einem optisch zugänglichen Einzelsektor unter Verwendung unterschiedlicher optischer Messverfahren untersucht. Das Ziel der Versuche bestand in der Interpretation und einem verbesserten Verständnis des globalen Emissionsverhaltens in einer Brennkammer. Da dieses in hohem Maße von der Einbringung und Platzierung des flüssigen Kraftstoffes abhängt, wurde die räumliche Verteilung des Kerosin-Sprays für unterschiedliche Brennerkonfigurationen und Betriebszustände unter Einsatz der ebenen Mie-Streuung untersucht. Dabei wurden Eindringtiefe und Spraywinkel gemessen. Im Falle von Druckzerstäubern wurde eine Zunahme des Spray-Kegelwinkels mit dem Brennstoff-Durchfluss festgestellt, während er im Falle von Luftstrom-Zerstäubern konstant blieb. Mittels Phasen-Doppler- Anemometrie wurden Tropfengrößen und Geschwindigkeiten gemessen. Für Luftstromzerstäuber ergaben sich kleine Tropfengrößen, mit Axialgeschwindigkeiten ähnlich denen der Luftströmung. Die Dynamik der Brennstoff-Strömung wurde mittels Hochgeschwindigkeits-Schattenaufnahmen untersucht. Die Daten zeigen eine schnelle Ausbildung turbulenter Mischungsstrukturen mit örtlich hohen Konzentrationen von flüssigem Kraftstoff, sowie eine schraubenförmige Umfangsbewegung. Die räumliche Rußverteilung und ihre Abhängigkeit vom Luft/Brennstoff-Verhältnis (LBV) wurden unter Leerlauf- und Teillast-Bedingungen mittels ebener Laser- Induzierter Inkandeszenz (LII) untersucht. Die Daten zeigen unterhalb eines bestimmten LBV einen steilen Anstieg des Ruß-Volumenanteils bei weiterer Verringerung des LBV. Dies Ergebnis ist in Übereinstimmung mit Messungen der Rußzahl in einem Einzelsektor ohne optischen Zugang, liefert jedoch weitergehende Informationen über Lage und Form der Rußverteilung in der Brennkammer. Das Strömungsfeld wurde mittels PIV vermessen; die Daten für isotherme und reagierende Strömungen sind vergleichbar mit CFD-Rechnungen. Diese und weitergehende Resultate, etwa die Untersuchung modifizierter Brennstoffzerstäuber oder Einsatz kombinativer optischer Messtechniken, bilden Grundlagen für eine Entwicklung von Strategien zur Verringerung von Rußemissionen, insbesondere bei höheren Lastzuständen bei Pilotbetrieb.

Lars Frank Große Simulation von turbulenten, reaktiven Brennkammerströmungen mit Nutzung von künstlichen neuronalen Netzen zur Beschreibung der chemischen Reaktionskinetik Die Nutzung detaillierter Chemie in turbulenten Verbrennungssimulationen ist äußerst rechenintensiv. Deshalb schließt sich die Nutzung direkter Berechnungs-methoden bei der die Navier-Stokes-Gleichungen bis an die kleinsten Längenskalen der turbulenten Schwankungsbewegungen aufgelöst werden, als Verfahren für reale Dimensionen aus [Warnatz et al. 2001]. Neben der hohen räumlichen Auflösung müssen aufgrund der zeitlichen Schwankungen instationäre Berechnungs-algorithmen verwendet werden. Fügt man zur bestehenden Direkten Numerischen Simulation (DNS) eine komplexe Reaktionskinetik hinzu und erweitert den Löser um das gewöhnliche Differentialgleichungssystem der Reaktionsgleichungen steigt der Aufwand entsprechend. Da grundsätzlich eine genaue Approximation der chemischen Reaktionen Grund-voraussetzung für die realitätsnahe Wiedergabe der ablaufenden chemischen Prozesse ist, werden verschiedene Methoden angewandt, die es erlauben hinreichend genaue Beschreibungen der ablaufenden chemischen Reaktionen zu nutzen, beziehungsweise den Informationsgehalt der Modelle bezüglich des Anwendungsfalls zu erhöhen. In dieser Arbeit sollen künstliche neuronale Netze genutzt werden, um die chemische Reaktionskinetik in turbulenten Verbrennungssimulationen zu beschreiben. Die Grundlagen werden ausgehend von reduzierten Kinetiken mit wenigen Stoffen und Reaktionsgleichungen gelegt. Um die Arbeit hin zu einer turbulenten Verbrennungs-simulation mit komplexer Kinetik zu führen, werden weitere Methoden und Grundlagen entwickelt. Umfangreiche Validierungsrechnungen zeigen die Eignung von künstlichen neuronalen Netzen zur Approximation von chemischen Reaktionskinetiken, sowie die Möglichkeiten und Grenzen der Anwendbarkeit. Ein Ausblick zeigt anschaulich die Tendenzen zukünftiger Entwicklungen.