要旨

この論文の目的は、模擬燃焼室出力における有害物質排出の実験研究を行うことである。 実験は模擬燃焼室を用いて行った。 燃焼室には，バーナ装置，液体燃料供給装置，2列の混合孔と1列の冷却孔を有するフレームチューブが設置されている。 燃焼室の運転モードは，=0.435，=423K，大気圧とした． 液体燃料の燃焼速度は0.77g/sであった。 燃焼室内の圧力比は=3%で一定とした。 燃料は，ロシアTS-1ブランドの航空用ケロシンと，ベンゼン（C6H6）を添加したn-デカン混合物（C10H22）の2種類を使用した． ベンゼン添加量は5%から30%（n-decane/benzene：95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25, 70/30）であった。

1. はじめに

ガスタービンエンジンにおいて燃焼室はそのエミッション特性を決定する主要部品の一つである。 現在、ガスタービンエンジンのエミッションの問題は、主に半経験的な計算と試作実験によって解決されている。 この方法は労力がかかる上に、燃焼室内のプロセスに関する情報がほとんど得られないため、ICAO規格を実施することができない。

ガスタービンエンジンの燃焼室の設計とデバッグに関する最新の技術では、数値流体力学（CFD）を使用する必要がある。 CFDの計算は、ガス力学の方程式と詳細な化学反応速度論の同時解法に基づくものでなければならない。 現在の計算能力では、このような問題を数十年以内に解決することは不可能と思われます。 もう一つの解決策は、ハイブリッド法を採用することです。 ハイブリッド法は、それぞれの問題を個別に解き、それらを組み合わせて一つのアルゴリズムにするものです。 化学反応速度論のシミュレーションは、詳細かつ縮小された反応機構を用いない限り、考えられません。 反応機構を開発するためには、初期の燃料の正確な組成を知る必要があります。 ガスタービンエンジンの燃料は、主に航空灯油です。 灯油は、数十種類の炭化水素成分から構成されている。 その組成は、原料やメーカーによって異なる場合があります。 数値シミュレーションには、既知の成分からなり、限られた数の化学成分を含む混合物が必要です。 このような混合物をサロゲートと呼びます。 サロゲートは実燃料の主な特性を再現する必要がある。

サロゲートの酸化の詳細な動力学的メカニズムは、ケロシンの本質的な化学特性を模倣するものであるべきだ。 燃焼室の環境性能のCFDシミュレーションのハイブリッド方法を開発するために、次の2つの主要な問題を解決する必要があります。 (2)サロゲート酸化の詳細かつ低減されたメカニズムの開発です。 本研究では、最初の問題を解決することに重点を置いています。 アルカン（直鎖または分岐構造を持つ飽和炭化水素）、アルケン（二重結合を持つ炭化水素）、シクロアルカン（環を持つ飽和炭化水素）、芳香族炭化水素（ベンゼン環を持つ分子）である。 表1は、いくつかの航空燃料の平均組成を表している。 燃料の大部分はアルカンであり、その総量は65%に達し、シクロアルカンと合わせると79-97%になる。 芳香族炭化水素もかなりの割合（最大20%）を占めている。 一方、燃料中のアルケンの濃度は僅少である。

Table 1

従来の航空燃料の組成（成分量割合）です。

米国で一般的に使用されている航空灯油Jet-Aの代用品として、多くの著作が提案されている。 Jet-AはロシアのケロシンTC1に類似している。 これらの研究は、これらの代替物の点火と燃焼をシミュレートするための運動論的なメカニズムを提示している。 最も単純なサロゲートはモノプロペラント燃料です。 Jet-A の燃焼は，n-デカンをサロゲートとしてシミュレーションを行った． Cookeらは同じ目的でn-ドデカンを用い、炭化水素の徐酸化においてアルキルヒドロペルオキシドラジカルが重要な役割を果たすことを示した。 芳香族化合物としては、ベンゼン、トルエン、トリメチルベンゼン、n-プロピルベンゼン、n-ブチルベンゼン、その他が考えられる。 LindstedtとMauriceはケロシン火炎の構造をn-デカン89%、芳香族炭化水素（ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン）11%のサロゲートで精度よく記述できることを数値的に示した。 本研究では、ケロシンの燃焼生成物とそのサロゲートを実機で燃焼させながら比較した。 サロゲートは、n-デカンとベンゼンを様々な割合で混合したものである。 実験装置

バーナー装置、液体燃料供給装置、2列の混合孔と1列の冷却孔を持つ火炎管からなる模擬燃焼室（図1）において実験を行った。 燃焼室の運転モードは，=0.435，=423K，大気圧とした． 液体燃料の燃焼速度は0.77g/sである。 3%で一定とした燃焼室内の圧力比。は燃焼室入口の全圧(const)、は燃焼室出口の全圧(const)。

図1

模擬燃焼室。 実験装置にはSMC製の流量計、逆流防止弁付き空気圧式スロットル、ブロンコストハイテック社製のEL-FLOW®シリーズマスフローメータ/コントローラ、液体燃料供給装置、吸気ヒータが設置されています。 燃料ラインと空気ラインに接続された高温セットアップの概観を図2に示す。

図2

General view of the high-temperature setup.

速度場を均一化するために、ヒーター入力に均一化装置が設けられている。 主燃料供給には、ポンプ装置がある。 サロゲート燃料供給には、圧力供給システムがある。 1481>

高圧ポンプ制御システムにより、少なくとも250 l/hの流量で0.4から1.5 MPaの範囲で出力圧力を変更することが可能であった。

サンプルライン（図6）は、サンプラー（1）、リヒター吸収板（2）、SICKGMS-810分析器内蔵ポンプ（3）、セガーピペット（5）、GSB-400ガスメーター（6）から構成されています。 GSB-400はサンプリングしたガスの体積M3と流量M3/cを推定するために使用されます。

サンプリングポイントからSegerピペットまでのサンプルは、SICKGMS-810アナライザーに組み込まれたポンプで送られました。

サンプリング時には、燃焼生成物をM3/cの流量で20ピペット分の量をSegerピペットから送液した。 得られたガスサンプルはガスクロマトグラフィーで分析された。 サンプリングは模擬燃焼室の出口で行った． 表2に各実験例の初期条件を示す。

アルケン類。 vol% 成分 JP-4 JP-5 JP-7 JP-8, ジェットA、TC1 アルカン類。 vol% 59 45 65 60 シクロアルカン, vol% 29 34 32 20 2 – 2 芳香族, vol% 10 19 3 18 Sulphr, ppm 370 470 60 490

No. 燃料組成 1 灯油 TS-1 brand 0.548 423 K 1 atm 0.021 kg/s 0.00081 kg/s 2 Kerosene TS-1 brand 3 n-Decane 4 n-> 2 2 3 2 n-> 5 n-Decane/benzene (90/10%) 6 n-> (95/50%)デカン/ベンゼン（85/15%） 7 n-デカン/ベンゼン（80/20%） 8 n-デカン/ベンゼン（75/25%） 9 n-に変更。Decane/benzene (70/30%)

1回の実験で8個のサンプリングが行われた。