Sicherstellung des stabilen Betriebs von Flugtriebwerken
Verbrennungsinstabilitäten werden in einer Vielzahl von industriellen Anlagen beobachtet, hierunter auch bei Flugtriebwerken mit einer direkten Einspritzung des Brennstoffs in die Brennkammer. Hier kann es zu einem unerwünschten Flammenverlöschen oder einem Flammenrückschlag sowie zu Vibrationen des Triebwerks kommen, wodurch im ungünstigsten Fall das Triebwerk sogar irreparabel beschädigt werden kann. Verbesserte Kenntnisse über die Phänomene des Wärme- und Stoffübergangs in der Brennkammer sind daher von allerhöchster Bedeutung für die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien, mit denen das Auftreten solcher Instabilitäten auf ein Mindestmaß reduziert werden kann. Umfassende Versuche und Modellierungen am Computer, die im Rahmen des MUSCLES-Projekts durchgeführt wurden, befassten sich mit der Vergasung des flüssigen Brennstoffs bei direkter Einspritzung in die Brennkammer. Die Brennstofftröpfchen verdampfen während des Aufheizens in der Brennkammer. Schließlich verbrennt der gasförmige Brennstoff und liefert so die für den Antrieb benötigte Energie. Die Herausforderung bestand nun darin, neue theoretische Modelle für die Vergasung des Brennstoffs, bei denen die Absorption der Wärmestrahlung durch die Brennstofftröpfchen berücksichtigt wird, zu entwickeln und zu validieren. Die Wissenschaftler am Instituto Superior Técnico in Portugal haben verschiedene optische Verfahren miteinander kombiniert, um die Größe, die Temperatur und die Geschwindigkeit der verbrennenden Brennstofftröpfchen unter variablen Temperaturbedingungen zu messen. Der Wärmestrom, der zwischen den Brennstofftröpfchen und der Umgebung innerhalb der Brennkammer, in der eine hohe Temperatur sowie ein hoher Druck herrscht, ausgetauscht wurde, konnte dann aus dem Gesamtenergievolumen abgeleitet werden. Von den MUSCLES-Projektpartnern wurden detaillierte Kenntnisse über den Wärmeübergang durch Wärmestrahlung ausgenutzt, um die Verdampfungsgeschwindigkeit des Brennstoffs genau zu bestimmen. Dies stellte auf diesem Forschungsgebiet einen weiteren Schritt vorwärts dar. Die Wärmestrahlung beeinflusst die Temperaturverteilung und den Wärmestrom in den Wänden der Brennkammer sowie die Bildung von Rußpartikeln und anderen Produkten einer unvollständigen Verbrennung. Eine Berücksichtigung der Wärmestrahlung kann, obwohl sie in den meisten existierenden Modellen zur Verbrennung ignoriert wird, zu deutlichen Verbesserungen der Validität der Modelle führen. Die Wissenschaftler des MUSCLES-Projekts konnten zudem durch die Abschätzung des Beitrags der Wärmestrahlung zur Vergasung des Brennstoffs das momentane Wissen über potenzielle Ursachen von Verbrennungsinstabilitäten festigen.
