Wie moderne Simulationsinstrumente und Diagnoseverfahren die Innovationskraft der europäischen Luft- und Raumfahrt stärken
Die Strahltriebwerke der meisten Großflugzeuge werden vom Einlass bis zum Auslass auf lineare Weise (axial) von Luft durchströmt, was jedoch bei geringeren Geschwindigkeiten weniger effizient ist. Bei kleineren Turboprop-Regionalflugzeugen kommt oft ein neuartiges, wenn auch etwas der Intuition widersprechendes Design zum Einsatz, das unter diesen Bedingungen besser geeignet ist. Die Luft kehrt mehr als einmal ihre Richtung um, was eine kürzere und kompaktere Triebwerkskonstruktion zur Folge hat, die weniger Treibstoff pro Fluggast verbraucht und auf diese Weise weniger Emissionen verursacht. Diese Turboproptriebwerke sind mit Ring- oder Gegenstrombrennkammern ausgestattet, die üblicherweise ringförmig um die Triebwerksachse angeordnet sind. Durch Verkleinerung, weniger Gewicht und reduzierte Kosten der Brennkammern werden die Gesamtabmessungen des Triebwerks und der Treibstoffverbrauch des Flugzeugs verringert. Auf diese Weise können diese eine Schlüsselrolle bei der Stärkung der europäischen Wettbewerbsfähigkeit auf dem Turbopropflugzeugmarkt für den kleinen Luftverkehr spielen, der die Geschäftsreiseluftfahrt, den Bereich der Feuerwehr- und Rettungseinsätze, der medizinischen Evakuierungen und entlegene Gebiete bedient. Das EU-finanzierte Projekt START validierte eine der in Europa vorgestellten vielversprechenden neuen Ringbrennkammern, die Innovationen in Hinsicht auf die Herstellung, Prüfung und Modellierung in sich birgt.
Wertschöpfung durch additive Fertigung
Die inneren und äußeren Metallauskleidungen, welche die ringförmige Verbrennungszone begrenzen, werden typischerweise mittels einer zweischichtigen Wärmemanagementarchitektur gekühlt. Aus dem Einsatz der additiven Fertigung (oder des 3D-Druckens) ergab sich die Chance, Kosten, Gewicht und Komplexität zu reduzieren. Claudio Abbondanza von Avio Aero, Themenverantwortlicher von START, erläutert dazu: „Auch wenn es eine echte Herausforderung war, die richtige Lochform und eine effektive Durchströmung zu erreichen, konnten wir mithilfe der additiven Fertigung einzigartige, für Kühlzwecke sehr wirkungsvolle Mehrlochperforationen erzeugen. Dieses robuste einschichtige Design gestattet Kostensenkungen und Gewichtsreduzierungen, die jeweils durch weniger Schweißstellen noch weiter verringert werden konnten.“
Innovativ testen und simulieren
Bei den experimentellen Vermessungen einer vollständig additiv gefertigten Brennkammer unter realen Triebwerksbedingungen kamen mehrere bahnbrechende Ansätze zum Zuge. „Mithilfe der auf die Auskleidung aufgebrachten innovativen Beschichtung mit thermischem Gedächtnis von Sensor Coating Systems (SCS) konnten 3 000 Temperaturpunkte mit einer Genauigkeit von etwa 1 °C im Vergleich zu den 30 bis 40 °C bei üblichen Beschichtungen bereitgestellt werden. Daraus ließen sich noch nie dagewesene zweidimensionale Karten der maximalen Metalltemperatur ableiten“, erklärt START-Koordinator Antonio Andreini von der Universität Florenz. Abbondanza ergänzt: „Unser erster Einsatz der SCS-Beschichtungstechnologie mit thermischem Gedächtnis war ein Riesenerfolg, was als Beweis für ihren Nutzen bei zukünftigen Brennkammer-Validierungstests gelten dürfte.“ Das technische Team entwickelte eine rotierende Sonde zur Messung der Abgasemissionen und der Temperatur in der zweidimensionalen Ebene des Brennkammerauslasses, um ein detailliertes Bild der zweidimensionalen Verteilung zu erhalten. Giulio Grassi, Direktor des Sesta Lab, in dem die Brennkammer validiert wurde, fasst zusammen: „Mit den erfolgreichen Vollringtests an Brennkammern für kleine, mit Flüssigkraftstoffen betriebene Flugzeugtriebwerke haben wir einen neuen Markt für unsere industriellen Prüfstände am Sesta Lab geschaffen.“ Versuche stützen Modelle und das Gleiche gilt auch umgekehrt. Bei der Modellierung des komplexen Wärmeübergangs zwischen Festkörpern und reagierenden Flüssigkeiten, der konjugierten Wärmeübertragung in einer Brennkammer, können die konventionellen Ansätze der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) zu rechenintensiv ausfallen und gleichzeitig an Genauigkeit verlieren. Die Heat Transfer and Combustion Group (Website auf Italienisch) der Universität Florenz (UniFl), die START koordinierende und ausrichtende Institution, hat U THERM3D entwickelt. Damit kann der konjugierte Wärmeübergang in den Brennkammern von Flugzeugtriebwerken anhand von speziellen Funktionen genau modelliert werden, sodass auch Mehrloch-Kühlkonfigurationen gut zu beschreiben sind. Die auf Ansys Fluent beruhende Multiphysik-CFD-Methode auf der Basis von Grobstruktursimulation wurde anhand der Literatur und der Versuchsdaten validiert.
Ein Problem gelöst; bereit für das nächste
Dem Projekt START ist es gelungen, die innovative, mittels additiver Fertigung hergestellte Ringbrennkammer mit Innenauskleidung für den Markt für den kleinen Luftverkehr zu validieren. Ebenso bedeutend ist, dass START ein Werkzeugpaket und einen validierten Versuchsaufbau bereitgestellt hat, mit dem die Kommerzialisierung zukünftiger extrem kompakter Ringbrennkammerkonzepte beschleunigt werden kann.
Schlüsselbegriffe
START, Brennkammer, ringförmig, Ringbrennkammer, additive Fertigung, Turboprop, Beschichtung mit thermischem Gedächtnis, CFD, kleiner Luftverkehr, numerische Strömungsmechanik
