Keramischer Stator im Heißgas von Wasserstoff- und brennstoffflexiblen Antriebssystemen
Projekt CeraFlex
Keramischer Stator im Heißgas von Wasserstoff- und brennstoffflexiblen Antriebssystemen
Neue Materialien, eine disruptive hybride Bauweise und neue Herstellungstechnologien werden die Effizienz von Gasturbinen in Luftfahrtanwendungen steigern und die Umweltbelastung gleichzeitig reduzieren.
Das Potential neuer Werkstoffe und Herstellungstechnologien, Triebwerke noch effizienter und emissionsärmer zu gestalten, hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bereits im Projekt 3DCeraTurb gezeigt. Das DLR-Projekt CeraFlex baut darauf auf. CeraFlex (Ceramic hot gas stator for hydrogen and fuel flexible propulsion systems) hat zum Ziel, den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu erhöhen und gleichzeitig den Treibstoffverbrauch und die Emissionen im Betrieb zu minimieren. Dazu setzt das Projektteam am DLR auf neue Materialien wie additiv gefertigte Nickelbasierte Legierungen und SiC-basierte Ceramic Matrix Composites (CMC). Die Vorteile hybrider Statorschaufeln sollen unter Berücksichtigung der Brennkammerströmung für emissionsärmere Triebwerke aufgezeigt werden.
Der Wirkungsgrad des Triebwerks steht in direktem Zusammenhang mit der Turbineneintrittstemperatur und dem Kühlluftmassenstrom. Bereits geringe Verbesserungen haben einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad und damit auf den Treibstoffverbrauch. Durch den Einsatz eines leichteren und gleichzeitig temperaturbeständigen CMC-Werkstoffs kann im gesamten Triebwerksprozess Kühlluft eingespart und das Gesamtgewicht des Triebwerks reduziert werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden sich dazu mit der Untersuchung der Metall-Keramik-Verbindungstechnologie für die hybriden Statorschaufeln, der Verbesserung der Kühleffektivität durch Einsatz innovativer Kühlgeometrien unter Berücksichtigung additiver Fertigung bei gleichzeitiger Modellierung und Erstellung von digitalen Bauteil-Zwillingen beschäftigen. Dabei werden hochauflösende Large-Eddy-Simulationen (LES) und KI-Methoden eingesetzt, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern. Für die experimentelle Untersuchung und Verifikation der hybriden keramischen und metallisch-additiv-gefertigten Schaufeln wird der TRL5 NG-Turb-Turbinenprüfstand am Institut für Antriebstechnik modifiziert und die eingesetzte Messtechnik erweitert..
Im Rahmen von CeraFlex wird das Projektteam den Einfluss von Wasserstoffverbrennung und Wasserdampfkorrosion auf die keramischen und additiv gefertigten Schaufeln im Lebensdauerversuch bis 1315°C untersuchen. Um das Zukunftspotenzial der neuen Hybridbauweise in Hinblick auf den Einsatz von Wasserstoff oder anderen alternativen Kraftstoffen zu beleuchten, wird dabei auch der Übergang zwischen Keramik und Metall betrachtet.
Laufzeit
01/2025 - 12/2027
Schlagwörter
Digital Twin, Keramische Bauweisen, Rapid Prototyping, Triebwerk, Wasserstof
