Wasserstoff für Flugzeugturbinen
Start einer ersten Messkampagne unter realistischen Bedingungen.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und General Electric Aerospace untersuchen erstmals die Verbrennung von reinem Wasserstoff unter realistischen Betriebsbedingungen von Flugzeugtriebwerken. Für die wegweisende Messkampagne stellt GE ein neues Verbrennungssystem bereit, das für die Direktverbrennung von Wasserstoff ausgelegt ist. Wegbereitend für die aktuelle Versuchskampagne war eine vier Jahre andauernde, umfangreiche Forschungsarbeit des DLR und GE Aerospace, unterstützt durch europäische und nationale Technologieprojekte, in der schadstoffarme Verbrennungstechnologien und fortschrittliche optische Messtechniken entwickelt wurden.
Die Versuche werden beim DLR-Institut für Antriebstechnik in Köln durchgeführt und sind Teil der Umrüstung eines GE-Triebwerks vom Typ Passport auf Wasserstoff. Das Triebwerk wird zukünftig in den ZEROe-Flugdemonstrator von Airbus integriert. Airbus will bis 2035 das weltweit erste wasserstoffbetriebene Verkehrsflugzeug entwickeln und initiiert hierfür ein mehrjähriges Demonstratorprogramm. Doch die schadstoffarme und sichere Verbrennung von reinem Wasserstoff unter Triebwerksbedingungen stellt heute noch eine große Herausforderung dar, weil sich das Verbrennungsverhalten deutlich anders als bei herkömmlichen Luftfahrtkraftstoffen wie Kerosin verhält. Die Infrastruktur am Institut für Antriebstechnik ermöglicht mit Hochdruckbrennkammern und laser-optischen Messverfahren, Experimente der Wasserstoffverbrennung realitätsnah durchzuführen.
Während in der Vergangenheit bereits Wasserstoffuntersuchungen unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wurden, forschen das DLR und General Electric Aerospace mit den Hochdruckversuchen außerhalb bislang definierter technologischer Standards. Zu Beginn des gemeinsamen Projektes bestand große Neugierde, wie sich die Flamme unter den verschiedenen Betriebsbedingungen verhält und ob die Fenster des Prüfstands den extremen thermischen Belastungen standhalten. „In einer sehr guten Kooperation und kollegialen Zusammenarbeit ist speziell für dieses Vorhaben eine neue Messstrecke entwickelt worden“, sagt Bertram Janus, Leiter der Abteilung Brennkammer. „Gerade bei der Wasserstoffverbrennung in Fluggasturbinen sind realistische Betriebsbedingungen aufgrund der besonderen Brennstoffeigenschaften von elementarer Bedeutung. Erstmals führen wir Untersuchungen mit diesem herausfordernden Treibstoff unter derart realistischen Bedingungen durch. Der optische Zugang gibt uns die Möglichkeit für eine einzigartige Datenerhebungen.“
Große Quarzglasfenster ermöglichen ganz spezielle Einblicke in die Brennkammer und erlauben die Charakterisierung des Verbrennungsverhaltens und der reagierenden Strömung innerhalb der Brennkammer mithilfe der am Institut entwickelten laser-optischen Messverfahren. Dabei greift das Institut auf jahrzehntelange Erfahrung im Einsatz komplexer laser-optischer Messverfahren in Fluggasturbinen zurück, um die schnelle Adaption an neue Messobjekte zu ermöglichen. „In den Versuchen setzen wir eine Reihe von Messtechniken ein, die zusammengenommen das Gesamtbild des Verbrennungsvorgangs vervollständigen und darüber hinaus die Validierung von numerischen Simulationen ermöglichen“, erklärt Christian Willert, Abteilungsleiter Optische Triebwerksmesstechnik. „Die optischen Messungen erlauben eine momentane Erfassung der Reaktions- und Wärmefreisetzungszonen ohne die Brennkammerströmung zu beeinflussen. Diese werden durch Strömungsfeldmessungen ergänzt, um die Bewegung des Luft-Wasserstoff-Gemisches und der Reaktionsprodukte durch die Brennkammer zu verfolgen“, so Willert weiter.
Thomas Ripplinger, Teamleiter Wärme- und Verbrennungssysteme bei GE Aerospace Advanced Technology, fasst die Bedeutung der Testresultate für das Projekt zusammen:„Mithilfe der gänzlich reibungslos gelaufenen Messungen kann bewertet werden, ob der Brenner den Erwartungen entspricht oder ob Design-Anpassungen oder Änderung bei den Entwicklungs- und Auslegungswerkzeugen vorzunehmen sind“. Perspektivisch planen das DLR und GE Aerospace weitere Versuche sowohl am Hochdruckbrennkammer-Prüfstand (HBK) 1 und im Folgenden unter noch anwendungsnäheren Bedingungen im HBK 2 des DLR in Köln.
DLR / JOL
