Titelaufnahme

Titel
Laserzündung von Flugzeugturbinen / von Lukas Osl
VerfasserOsl, Lukas
Begutachter / BegutachterinReider, Georg
Erschienen2011
UmfangII, 96 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2011
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Laserzündung / hohe Temperaturen / passive Güteschaltung
Schlagwörter (EN)laser ignition / high temperatures / passive Q-switching
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-39757 Persistent Identifier (URN)
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Laserzündung von Flugzeugturbinen [1.97 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Um das Zündverhalten von Flugzeugturbinen zu verbessern wird in vorliegender Arbeit die Möglichkeit einer Zündung mittels Laser untersucht. Die Zündung erfolgt dabei mittelbar über die Generation eines Plasmas in der Brennkammer der Turbine, die hierfür notwendigen hohen elektrischen Feldstärken werden unter Zuhilfenahme eines passiven Güteschalters mittels eines starken Laserimpulses erzeugt. Der komplette Aufbau des Laserresonator aus aktivem Lasermedium, Güteschalter und Resonatorspiegel ist dabei in einem monolithischen Laserstab integriert.

Da ein derartiges System aufgrund der direkten Nachbarschaft zur Brennkammer starken Temperaturbelastungen ausgesetzt ist, werden speziell die Lasereigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur untersucht. Dabei zeigt sich, dass das Verhalten des Lasers im Bereich von 30 ... 200 C durch eine negative lineare Änderung des Wirkungsquerschnittes des eingesetzten Lasermaterials Nd : YAG beschreibbar ist. Außerdem wird dargelegt, dass eine passive Kühlung des Lasers bei gründlicher Dimensionierung möglich ist, wenn ein Dauerbetrieb des Systems nicht erforderlich ist und somit ein durchgehender Betrieb von einigen Minuten den Anforderungen genügt, was bei der hier betrachteten Anwendung gegeben ist. Als Pumpquelle des Lasers kommt eine Xenon-Bogenlampe zum Einsatz, welche unter den gegebenen Rahmenbedingungen - insbesondere der notwendigen hohen Temperaturbeständigkeit - die bestmögliche Lösung für diese Anwendung darstellt. Weiters wird durch analytisches herleiten aus den Ratengleichungen des Laser ein Programm entworfen, um für den Betrieb unter verschiedensten Bedingungen die jeweils optimalen Laserparameter zu bestimmen.

Schließlich wird durch numerische Berechnung auch die Temperaturcharakteristik des so gewonnenen Lasers genauer untersucht.

Zusammenfassung (Englisch)

In order to improve the ignition of plane turbines, the possibility of laser ignition is investigated. The high electric fields necessary to create plasma are accomplished by generating a high power laser pulse with a passive Q-switch. The complete composition of the laser resonator including active laser medium, Q-switch and the resonator mirrors is thereby being integrated in a monolithic laser rod.

Since such a system is subject to strong thermal loads due to the vicinity to the combustion chamber, the dependence of the laser properties on the temperature is investigated. The study demonstrates that the cross section of the used laser material Nd:YAG is within the temperature range from 30 C to 200 C linearly dependent and shows a negative slope. The study also indicates that a passive cooling of the laser is possible if all parts of the system are carefully dimensioned. A standing restriction, however, is the laser system's unsuitability for continuous operation as the maximum temperature inside the laser cavity is reached within a few minutes of operation due to self heating. Nonetheless this depicts sufficient time for the considered application. As pump source for the laser a xenon filled flash lamp is used as it is the best possible solution under the prevailing conditions, particularly the high thermal stress. Finally, a program to determine the optimal laser parameters for a given condition has been written by analyzing the rate equations of the laser.

Also the temperature dependence of the characteristics for the chosen laser can be solved numerically, therefore allowing a look at the expected temperature performance.