Brennkammerkühlung



Die Temperaturen in Triebwerksbrennkammern liegen mit bis zu 2500 K weit über den zulässigen Materialtemperaturen der Brennkammerwand. Gleichzeitig liegt die Temperatur der Kühlluft bei Volllast bei bis zu 900K. Damit steht nur eine geringe Temperaturdifferenz für die Kühlung zur Verfügung und es bedarf effizienter Kühlkonzepte für die Brennkammerwand. Dafür wird ein erheblicher Anteil der vom Verdichter in das Triebwerk geförderten Luft benötigt. In zukünftigen leistungsstärkeren und verbrauchsärmeren Triebwerken steigen Druck und Temperaturen (sowohl Verbrennungs- als auch Kühllufttemperatur) in der Brennkammer. Damit bedarf es kontinuierlich fortschrittlicher und neu zu entwickelnder Wand- und Kühlkonzepte.

Besondere Anforderungen an die Wandkühlung stellen Brennkammern mit Magerverbrennung, die im Vergleich zu konventionellen Brennkammern deutlich niedrigere Stickoxidemission erreichen. Für die Magerverbrennung muss die in die Brennkammer einströmende Luft umverteilt werden. Mehr als die Hälfte der durch die Brennkammer strömenden Luft tritt dann durch den Brenner ein. Damit steht deutlich weniger Luft für die Wandkühlung zur Verfügung als in konventionellen Brennkammern.

Die Kühlung der Brennkammerwand setzt sich aus mehreren Teilaspekten zusammen. Auf der Heißgasseite der Wand wird ein dünner Kühlfilm ausgebracht, der die Wand von der heißen Brennkammerströmung isolieren soll und so den konvektiven Wärmeeintrag verringert. Durch die Mischung von Kühlfilm und Heißgasströmung kann der konvektive Wärmeeintrag nicht verhindert werden. Darüber hinaus kommt es zu einem erheblich Wärmeeintrag durch Gas- und Rußstrahlung (speziell in konventionellen Brennkammern). Die zweite Aufgabe der Kühlluft ist die Abfuhr der so in die Wand eingebrachten Wärme. Bei besonders hohen Belastungen wird auf der Heißgasseite eine zusätzlich isolierende dünne keramische Wärmedämmschicht aufgetragen.

Die Abteilung Brennkammer befasst sich mit Kühlkonzepten sowohl für metallische als auch für keramische Werkstoffe.

  • Die Entwicklung neuer additiver Fertigungsverfahren für metallische Bauteile (z.B. Direct-Laser-Deposition) ermöglicht die Fertigung innovativer Kühlkonzepte und Geometrien, die mit den bisherigen Fertigungsverfahren nicht realisiert werden können. Diese Kühlkonzepte werden thermisch und mechanisch in der Abteilung ausgelegt. Anschließend wird das Design zur Fertigung an die DLR-Einrichtung Systemhaus Technik übergeben.
  • Keramische Wandmaterialien (hier nicht die Wärmedämmschicht), verstärkt mit keramischen Fasern (Ceramic Matrix Composites CMC) bieten eine höhere Temperaturbeständigkeit als metallische Werkstoffe. Durch die Faserverstärkung erreichen diese Werkstoffe die erforderliche Schadenstoleranz. Wegen der stark unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften im Vergleich zu Metallen bedarf es angepasster Kühlkonzepte. Die Abteilung arbeitet mit den DLR-Instituten für Werkstoffforschung sowie für Bauweisen und Konstruktionsforschung zusammen, um eine Brennkammer aus dem CMC-Werkstoff WHIPOX mit angepassten Kühl- und Befestigungskonzepten zu entwickeln.

Die Abteilung Brennkammer forscht sowohl mit numerischen als auch mit experimentellen Methoden auf dem Gebiet der Brennkammerkühlung. Mit numerischen Simulationen können als Auslegungsrechnung die Temperaturverteilungen in der Wand vor der Untersuchung der realen Bauteile berechnet werden. Dabei werden das Strömungsfeld in der Brennkammer und der konjugierte Wärmeaustausch mit der Wand berechnet. So können auch Betriebsbedingungen behandelt werden, bei denen eine experimentelle Charakterisierung der Kühlungseigenschaften zu aufwändig oder auch messtechnisch limitiert ist. Neben Simulationsrechnungen sind Experimente bei realistischen Betriebsbedingungen unverzichtbar für das Verständnis der strömungsmechanischen Vorgänge sowie für die Auslegung und Weiterentwicklung von Kühlkonzepten. Zu diesem Zweck wird ein Hochdruck-Kühlungsprüfstand genutzt. Die Ergebnisse werden zusätzlich verwendet, um Korrelationen aus Modellprüfständen, sowie Ergebnisse von Strömungssimulationen zu validieren.

Wandtemperaturverteilung gemessen mit IR-Kamera

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