Emissionsarmes Brennkammersystem für CO2 freies Fliegen
Forschungsprojekt EmBreCOfF
Emissionsarmes Brennkammersystem für CO2 freies Fliegen
Forschungsprojekt EmBreCOfF
Emissionsarmes Brennkammersystem für CO2 freies Fliegen
Das Vorhaben „EmBreCOfF - Emissionsarmes Brennkammersystem für CO2 freies Fliegen“ wird unter der Führung von Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG im Verbund mit den Partnern Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. - Institut für Antriebstechnik und Institut für Verbrennungstechnik, Technische Universität Darmstadt – Fachgebiet Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme, und Technische Universität München – Professur für Thermofluiddynamik durchgeführt.
Mit dem Projekt „EmBreCOfF“ setzt der Verbund die Arbeiten für ein emissionsoptimiertes kraftstoff-flexibles Brennkammersystem fort. Die Arbeiten begannen im Rahmen des LuFo VI-3 Vorhabens TeTeAnt-H2 im Teilvorhaben BreTuFlex und fallen in die Programmlinie Industrielle Forschung mit dem Schwerpunkt „Konventionelle Flugantriebe“. Ein erweiterter Fokus liegt dabei auf nachhaltigen und digitalen Fertigungsmethoden sowie genaueren fortgeschrittenen Mess- und Auslegungsmethoden.
Die Kraftstoff-Flexibilität ist ein zentraler Baustein einer klima-kompatiblen Luftfahrt und ist auf das Ziel der Reduzierung aller klimawirksamen Emissionen ausgerichtet. Das DLR-Vorhaben adressiert dieses Ziel sowohl mit technologischen als auch mit methodischen Forschungsarbeiten. In enger Kooperation mit den Projekt-Partnern werden so wichtige Beiträge für eine weitere Reduktion der Feinstaub- und Stickoxidemissionen für kraftstoffflexible Fluggasturbinen geliefert. Diese Beiträge beinhalten wissenschaftliche Arbeiten zu folgenden Fragestellungen:
Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine
Die Abströmung der Brennkammer ist unmittelbar wichtig für die Leistung und Effizienz der darauffolgenden Turbine. Mit CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) will das Projekt wichtige Grundlagen für weitere Arbeiten zu Fragestellungen der Brennkammer-Turbine Interaktion in kraftstoff-flexiblen Brennkammern schaffen. Die aerodynamischen Anforderungen, wie sie sich aus einer neuartigen brennstoff-flexiblen Brennkammer ergeben, sollen erarbeitet werden, um den Einfluss verschiedener Brennstoffe auf die Turbinenauslegung zu verstehen. Die Brennstoffe reichen dabei von SAF (Sustainable Aviation Fuel) bis Wasserstoff. Ziel ist es, das Verständnis komponentenübergreifender Aspekte beim Einsatz sehr unterschiedlicher Kraftstoffe zu erweitern.
Konvektion eines Hot Spots durch die Schnittstelle Brennkammer Turbine
Um die Erkenntnisse aus Vollringversuchen unter realistischen Druckniveaus zu steigern, wird optische Diagnostik für den Hochdruck-Brennkammer-Prüfstand 5 (HBK5) in Köln entwickelt und demonstriert. Dafür werden bestehende, rein qualitative Endoskop-Messtechniken um minimalinvasive, lasergestützte quantitative Verfahren erweitert.
Insbesondere die berührungsfreie in-situ Messung der Temperatur in der Vollring-Brennkammer ist wissenschaftliches und technisches Neuland, welches die gemeinsame Auslegung von Brennkammern und Turbinen zukünftig erheblich verbessern wird.
Doppelsonden-System im „Optical Duct“ Segment hinter der Abströmung einer Vollring-Brennkammer im HBK-5
Bei der Messung kleinster Partikel im Sub-Mikrometer Bereich kommt es unweigerlich zu Leitungsverlusten und Unsicherheiten. Dafür soll der bestehende Messaufbau optimiert sowie passende Korrekturformeln für unterschiedliche Umgebungen entwickelt werden. Ziel ist es, die Übertragbarkeit und Vergleichbarkeit von Messungen in verschiedenen Umgebungen (z. B. Vergleich Prüfstand mit Triebwerk) zu verbessern.
Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Konzeptionierung und den Aufbau eines mobilen Messsystems ein, mit dem die Messungen an verschiedenen Prüfständen mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden können. Dadurch soll sich auch die Übertragbarkeit der Messergebnisse über die verschiedenen TRL-Stufen dieser Prüfstände verbessern. Eigene Forschungsarbeiten gewinnen so an Aussagekraft und können in Zusammenarbeit mit Industriepartnern dabei helfen, Entwicklungsarbeiten gezielt zu beschleunigen.
Weiterentwicklung der Kraftstoffinjektortechnologie
Für emissionsarme, gestufte Brenner in Luftfahrtantrieben wird an vielfältigen Aspekten der Druckzerstäuber-Technologien geforscht: Dafür werden die erforderlichen Spezifikationen ermittelt, die Auslegungswerkzeuge verbessert und erweitert sowie Fortschritte im Herstellungsprozess und in den Methoden der Qualitätssicherung genutzt.
Mit Hilfe eines hierfür angepassten Hochdruckprüfstand für flüssige Kraftstoffsprays werden verschiedene Zerstäubungskonzepte iterativ entwickelt und getestet. Abschließend werden Messkampagnen durchgeführt, um die Leistung der Zerstäuber unter Hochdruckbedingungen zu bewerten und Erkenntnisse für effizientere Designs zu gewinnen. Das Ziel der Arbeiten ist die drastische Reduktion der Emissionen der Luftfahrt, da der Verbrennungsprozess sehr stark an die Feinheit und Verteilung der Spray-Tröpfchen gekoppelt ist.
