Forschung zu Verbrennung und Leistung von Motoren
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Dichtungsleistung einer Turbinenkranzschachtdichtung bei rotationsbedingter Einwirkung
Abstrakt
Diese Studie konzentriert sich auf die Dichtungsfähigkeit einer Turbinenfelgendichtung, die einem Heißgaseintritt ausgesetzt ist, der ausschließlich durch den Pumpeffekt der Rotorscheibe und nicht durch die Hauptströmungsmerkmale wie das Passieren von Schaufeln und Rotorblättern verursacht wird. Ziel ist es, nützliche Daten für Bedingungen zu liefern, bei denen die Rotation dominiert, und die Strömungsphysik bei der Felgendichtung zu klären. Zum ersten Mal werden experimentelle Messungen der Dichtungseffektivität einer Schurrenabdichtung ohne und mit einer axialen, axialsymmetrischen Hauptströmung außerhalb der Dichtung vorgestellt. Die Testmatrix deckt einen Bereich von Rotations-Reynoldszahlen, Reøvon 1,5×106 auf 3×106und die dimensionslose Durchflussmenge, Cwvon 0 bis 4×104 mit der Hauptströmung (sofern vorhanden), die so skaliert ist, dass sie den für den Motor repräsentativen Bedingungen der axialen Reynolds-Zahl, Reax.
(a) Hauptstrom- und Spülluftzufuhr, (b) System zur Messung der Dichtungseffizienz
Die Ergebnisse von Messungen des konstanten Drucks und der Gaskonzentration im Rotor-Stator-Scheibenhohlraum und im Randdichtungsspalt werden vorgestellt und mit veröffentlichten Daten für andere Dichtungskonstruktionen verglichen. Die Dichtungsleistung der Schüttdichtung ähnelt in gewisser Weise der von Axialspaltdichtungen mit demselben Mindestspalt.
Referenz
Bru Revert, A., Beard, P. F., Chew, J. W., & Bottenheim, S. (2020). Sealing performance of a turbine rim chute seal under rotational-induced ingestion. Zeitschrift für Physik. Retrieved 2021, from https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1909/1/012035/meta.
Experimente und Modellierung niedriger Ordnung von intermittierenden Übergängen zwischen rechts- und linksdrehenden thermoakustischen Moden in ringförmigen Brennkammern
Abstrakt
In ringförmigen Brennkammern von Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken treten instabile azimutale thermoakustische Moden auf, die zu akustischen Wellen hoher Amplitude führen, die sich in azimutaler Richtung ausbreiten. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wechselt die Ausbreitungsrichtung der Welle zufällig. Der in Gasturbinenbrennkammern vorherrschende starke Turbulenzlärm ist eine Quelle der zufälligen Anregung der thermoakustischen Moden und kann die Ursache für diese Umschaltvorgänge sein. Es wird ein Modell niedriger Ordnung vorgeschlagen, um diese Eigenschaft der Dynamik der thermoakustischen azimutalen Moden qualitativ zu beschreiben. Dieses Modell basiert auf der akustischen Wellengleichung mit einem destabilisierenden thermoakustischen Quellterm, der die Reaktion der Flamme berücksichtigt, und einem stochastischen Term, der das turbulente Verbrennungsrauschen berücksichtigt. Zur Beschreibung der modalen Dynamik auf Zeitskalen, die langsamer sind als die akustische Pulsation, wird eine Mittelwertbildung für langsame Strömungen angewandt.
Unter bestimmten Bedingungen lässt sich das Modell formal auf eine Fokker-Planck-Gleichung reduzieren, die einen stochastischen Diffusionsprozess in einer Potenziallandschaft mit zwei symmetrischen Vertiefungen beschreibt: Eine Senke entspricht einer Mode, die sich im Uhrzeigersinn ausbreitet, die andere Senke entspricht einer Mode, die sich gegen den Uhrzeigersinn ausbreitet. Wenn der Grad des turbulenten Rauschens ausreichend ist, führt die stochastische Kraft dazu, dass die Mode zu zufälligen Zeitpunkten von einer Vertiefung in die andere springt, wodurch das Phänomen des Richtungswechsels reproduziert wird. Die Experimente wurden an einem ringförmigen Brenner im Labormaßstab mit 12 Wasserstoff-Methan-Flammen durchgeführt. Mit Hilfe von Systemidentifikationstechniken wurde das Modell an die experimentellen Daten angepasst, wodurch die potenzielle Form und die Intensität der stochastischen Anregung extrahiert werden konnten. Die aus der Fokker-Planck-Gleichung gewonnenen statistischen Vorhersagen über das Verhalten der Moden und die Zeit des Richtungswechsels stehen in guter Übereinstimmung mit den Experimenten.
Referenz
Faure-Beaulieu, A., Indlekofer, T., Dawson, J. R., & Noiray, N. (2021). Experimente und Modellierung niedriger Ordnung von intermittierenden Übergängen zwischen rechts- und linksdrehenden thermoakustischen Moden in ringförmigen Brennkammern. Tagungsband des Combustion Institute, 38(4), 5943-5951. https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.05.008
Verbrennungseigenschaften von Butanol-Jet A-1-Kraftstoffmischungen in einer wirbelstabilisierten Brennkammer unter dem Einfluss von vorgewärmter Wirbelluft
Abstrakt
Biokraftstoffe sind kohlenstoffneutrale alternative Kraftstoffe, die sich zu einer wichtigen Energiequelle für die Luftfahrtindustrie entwickelt haben, um die Treibhausgasemissionen zu verringern. Butanol gilt als aufstrebender Biokraftstoff mit Eigenschaften, die sich für den Einsatz in Gasturbinentriebwerken eignen. Es wird traditionell durch die Fermentation von Biomasse hergestellt (Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation). Um die Machbarkeit von Butanol als Betriebskraftstoff zu prüfen, werden die Verbrennungseigenschaften von Butanol und Butanol/Jet A-1-Gemischen in einem drallstabilisierten Brenner im Labormaßstab untersucht, wobei der Schwerpunkt auf dem Effekt der Vorwärmung liegt, da die Einlasslufttemperatur während des Flugbetriebs schwankt. Um die konstante Lufttemperatur auf 150°C zu erhöhen, wird die Zuluft (Hauptluft) vorgewärmt und für verschiedene Äquivalenzverhältnisse untersucht.
Im Vergleich zu reinem Jet A-1 zeigten die Flammen der Butanol/Jet A-1-Gemische eine bessere Auswirkung auf die globalen Emissionscharakteristika bei vergleichbarer Temperaturverteilung durch den Zusatz von Butanol zu Jet A-1. Ein mit 50% Butanol beladenes Gemisch zeigt eine Reduzierung von 29% CO und 24% NOx im Vergleich zu reinem Jet A-1, während die 30%-Beladung einem ähnlichen Trend folgt und die Schadstoffemissionen etwas höher sind als bei der 50%-Mischung. Außerdem weisen sowohl 30%- als auch 50%-Butanolmischungen eine vergleichbare Flammentemperaturverteilung auf, die höher ist als bei reinem Jet A-1.
Referenz
Kumar, M., Chong, C. T., & Karmakar, S. (2021). Verbrennungseigenschaften von Butanol-Jet-A-1-Kraftstoffmischungen in einer wirbelstabilisierten Brennkammer unter dem Einfluss von vorgewärmter Wirbelluft. Internationale Zeitschrift für Energieforschung. https://doi.org/10.1002/er.7331
Untersuchung des Anodenabgases bei der Verbrennung mit Fremdzündung für SOFC-ICE-Hybridsysteme
Abstrakt
Hybridsysteme aus Festoxidbrennstoffzelle und Verbrennungsmotor (SOFC-ICE) sind eine attraktive Lösung für die Stromerzeugung. Das System kann durch die Nutzung des Anodenabgases der SOFC als Brennstoffquelle für den Verbrennungsmotor einen theoretischen Wirkungsgrad von bis zu 70% bei der Stromumwandlung durch Energiekaskadierung erreichen. Experimentelle Untersuchungen wurden mit einem Einzylindermotor der Cooperative Fuel Research (CFR) durchgeführt, indem das Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis (ϕ) und das Verdichtungsverhältnis (CR) verändert wurden, um die Motorlast, die Verbrennungseigenschaften und die Emissionswerte des trockenen SOFC-Anodenabgases zu untersuchen, das aus 33,9% H2, 15,6% CO und 50,5% CO2. Der Verbrennungswirkungsgrad des Anodenabgases wurde direkt durch Messung der CO-Emissionen aus dem Motor bewertet.
Die höchste Netto-Kraftstoffumwandlungseffizienz von 31,3% wurde bei ϕ = 0,90 und CR = 13:1 erreicht. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Anodenabgas erfolgreich mit einer Funkenzündung oxidiert werden kann. Es wird erwartet, dass der Wirkungsgrad der Kraftstoffumwandlung des Anodenabgases in einer moderneren Motorarchitektur, die im Vergleich zum CFR-Motor höhere Verbrennungsraten erzielen kann, weiter zunimmt. Die NOx-Emissionen aus der Verbrennung des Anodenabgases waren minimal, da die Zylinderspitzentemperaturen nie 1800 K überstiegen. Diese experimentelle Studie zeigt letztendlich die Machbarkeit eines Verbrennungsmotors, der mit Anodenabgas betrieben wird, und schafft damit eine ergänzende Rolle für einen Verbrennungsmotor, der mit einer SOFC in einem Hybridkraftwerk gekoppelt werden kann.
Referenz
Ran, Z., Longtin, J., & Assanis, D. (2021). Investigating anode off-gas under spark-ignition combustion for SOFC-ice hybrid systems. Internationale Zeitschrift für Motorenforschung, 146808742110169. https://doi.org/10.1177/14680874211016987
Einblicke in den Übergang von Flammenrückschlag zu Flammenerhalt in wasserstoffreichen geschichteten Wirbelflammen
Abstrakt
In dieser Studie wird das Flammenstabilisierungsverhalten in wasserstoffangereicherten, geschichteten Drallflammen untersucht, nachdem die Flamme in ein ringförmiges Mischrohr mit einem Axialdrallerzeuger der Drallzahl 0,9 zurückschlägt. Es wurden zwei verschiedene Arten der Flammenstabilisierung, nämlich die Zwischenstabilisierung und die Flammenhaltung, ermittelt. Bei 80% oder einer höheren Wasserstoffanreicherung des Brennstoffs wird festgestellt, dass der Flammenrückschlag zu einer Flammenstabilisierung führt. Aceton-PLIF-Messungen werden zur Bewertung der Äquivalenzverhältnisverteilung im Mischrohr verwendet.
Es wird gezeigt, dass die Strömung im Inneren des Mischrohrs intermittierend brennstoffreiche Taschen aufweist. Darüber hinaus wurde eine Hochgeschwindigkeits-Laserdiagnose und gleichzeitige Chemilumineszenz-Bildgebung durchgeführt, um den Übergang der Flammenausbreitung von der Grenzschicht im Zentrum des Körpers zur Grenzschicht an der Außenwand zu verstehen. Mit Hilfe von zeitaufgelösten Bildern und gleichzeitigen Geschwindigkeitsfeldern wurden vier verschiedene Stadien des Übergangs vom Flammenrückschlag zur Flammenhaltung identifiziert. Es wurde festgestellt, dass die hellen Flammenkerne, die sich aufgrund der Interaktion der Flamme mit brennstoffreichen Taschen bilden, eine erhebliche Ablenkung der Anströmung in der Nähe der Außenwandgrenzschicht bewirken. Es wurde festgestellt, dass schmale Flammenstrukturen mit akuter Spitze die Flamme an der Außenwand verankern. Diese Flammenstrukturen beschleunigen stromaufwärts, wenn sie die brennstoffreichen Bereiche in der Grenzschicht der Außenwand erreichen.
Referenz
Ranjan, R., & Clemens, N. T. (2020). Insights into flashback-to-flameholding transition of hydrogen-rich stratified Swirl Flames. Tagungsband des Combustion Institute, 38(4), 6289-6297. https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.06.017
Zufallsgesteuertes maschinelles Lernmodell zur Vorhersage der Verbrennungsrückführung eines Erdgasmotors mit Fremdzündung
Abstrakt
Die Motorkalibrierung erfordert detaillierte Feedback-Informationen, die den Verbrennungsprozess als optimales Ziel widerspiegeln können. Der angezeigte mittlere effektive Druck (IMEP) ist ein solcher Indikator, der die Arbeitsfähigkeit eines Motors unter verschiedenen Kombinationen von Steuergrößen beschreibt. In diesem Zusammenhang ist es von Interesse, kosteneffektive Lösungen zu finden, die die Anzahl der experimentellen Tests reduzieren. In diesem Beitrag wird ein Random-Forest-Modell für maschinelles Lernen als kostengünstiges Werkzeug zur Optimierung der Motorleistung vorgeschlagen. Konkret schätzt das Modell den IMEP für einen Erdgas-Ottomotor, der aus einem umgebauten Dieselmotor gewonnen wurde. Ziel war es, ein wirtschaftliches und robustes Werkzeug zu entwickeln, das dazu beitragen kann, die große Anzahl von Experimenten zu reduzieren, die normalerweise bei der Konstruktion und Entwicklung von Verbrennungsmotoren erforderlich sind.
Die Daten, die für die Erstellung eines solchen Korrelationsmodells verwendet wurden, stammen aus Motorversuchen, bei denen der Zündzeitpunkt, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und die Motordrehzahl variiert wurden. Die Einlassbedingungen und die Kühlmittel-/Öltemperatur wurden konstant gehalten. Folglich waren die Modelleingaben die wichtigsten Motorbetriebsvariablen, die die Motorleistung beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass das trainierte Modell die verbrennungsbezogenen Rückkopplungsinformationen mit guter Genauigkeit vorhersagen kann (R2 ≈ 0,9 und MSE ≈ 0). Darüber hinaus reproduzierte das Modell genau die Wirkung von Steuervariablen auf den IMEP, was dazu beitragen würde, die Wahl der Betriebsbedingungen für zukünftige Versuchspläne einzugrenzen. Insgesamt kann der hier vorgestellte Ansatz des maschinellen Lernens neue Chancen für eine kosteneffiziente Motoranalyse und -diagnose bieten.
Referenz
Liu, J., Ulishney, C., & Dumitrescu, C. E. (2020). Random-Forest-Modell für maschinelles Lernen zur Vorhersage von Verbrennungsrückkopplungsinformationen eines Erdgasmotors mit Fremdzündung. Zeitschrift für Technologie der Energieressourcen, 143(1). https://doi.org/10.1115/1.4047761