Neue Tests für umweltfreundlichere Triebwerke
Moderne Gasturbinen werden in zunehmendem Maße derart gestaltet, dass sie für den Einsatz unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen geeignet sind. Bedingungen dieser Art erhöhen den thermischen Wirkungsgrad und lassen Emissionen sinken. Wissenschaftler riefen das von der EU finanzierte Projekt FACTOR (Full aero-thermal combustor-turbine interaction research) ins Leben, um weitere Strömungsfeldwechselwirkungen zwischen Brennkammer und Gasturbine zu untersuchen. Detailliertes Wissen über diese Wechselwirkung ist von grundlegender Wichtigkeit, wenn es um die Auslegung von leistungsfähigeren Triebwerksturbinen mit längerer Einsatzdauer geht. Höhere Leistung, weniger Emissionen Die komplizierte Strömungsphysik in Verbrennungs- und Turbinensystemen, die üblicherweise aus vielen ausgeklügelten Bauteilen bestehen, war im letzten Jahrzehnt Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Die Motorenhersteller unternehmen große Anstrengungen, um diesen Grenzbereich in den Griff zu bekommen, da extrem heiße Gase, variable Grenzflächen, Turbulenzeffekte und inhärente Unstetigkeiten zu den Phänomenen zählen, die diese Region äußerst komplex erscheinen lassen. Versteht man erst die komplexe Wechselwirkung zwischen dem Kühlsystem und dem Transport sowie der Vermischung der Luft innerhalb von Flugzeugturbinen besser, wird eine Senkung des spezifischen Treibstoffverbrauchs möglich. „Eine genaue Vorhersage der Wechselwirkung zwischen Brennkammer und Turbine wird zu einer besser optimierten Bauweise und somit zu Triebwerken höherer Effizienz führen“, ist Projektkoordinator Matthieu Chevrier überzeugt. „FACTOR wollte akkurate und zuverlässige Daten bereitstellen, anhand von denen Berechnungsmodelle verbessert werden können“, fügt er hinzu. FACTORs Zielstellung war nicht nur eine Senkung des Treibstoffverbrauchs, sondern auch die Verringerung des Gewichts der Hochdruckturbine um 1,5 % und demgemäß der Triebwerkskosten um 3 %. Neue Versuchsanlagen In Anlehnung an Resultate und Leitlinien aus früheren EU-finanzierten Initiativen zu diesem Thema gelang es dem Projekt, neue Verbindungen zwischen den europäischen Brennkammer- und Turbinenfachleuten zu knüpfen. Mit Hilfe einer neuen Turbinenprüfanlage am DLR-Standort Göttingen, die eine Brennkammer mit einem Hochdruckturbinensimulator für aerodynamische und aerothermische Messungen verbindet, intensivierte man diese Bemühungen. Die FACTOR-Testinfrastruktur wurde zur Sammlung von Versuchsdaten eingesetzt, um das Wissen über die Nebenstromtransport- und Mischmechanismen innerhalb der Turbine zu verbessern. Diese neue, mit Heiß- und Kaltluft versorgte Anlage ermöglichte es den Forschern außerdem, die thermischen Wechselwirkungen zwischen Brennkammer und Turbine weiterführend zu erforschen. Eine ergänzende Abblaseturbinenanlage an der Oxford University im Vereinigten Königreich diente der zusätzlichen Analyse des DLR-Durchströmungsprüfstands. Auch wenn die Temperaturen am Prüfstand unter den realen Temperaturen blieben, wurde das aerodynamische Verhalten der Turbine als repräsentativ für die neuesten Triebwerke angesehen. Chevrier erklärt: „Die Turbinenleitschaufel, die unmittelbar hinter der Brennkammer zu finden ist, muss wegen der von der Kammer herrührenden hohen Temperatur gekühlt werden.“ „Diese Temperaturströmung ist nicht homogen, sondern eher äußerst heterogen, und durch eine bessere Prognose der Hot-Point-Migration innerhalb der Turbine können wir den Triebwerkswirkungsgrad optimieren.“ Sämtliche Messdaten wurden verwendet, um eine neue Testdatenbank zu erstellen, die allen FACTOR-Partnern zur Verfügung steht. Die Datenbank enthält verschiedene Taktpositionen, die das Verständnis darüber verbessern werden, auf welche Weise der heiße Punkt mit der Turbine interagiert. Sie beinhaltet gleichermaßen detaillierte Messungen an allen Grenzflächen, die mindestens 10 Jahre verfügbar sein und dazu dienen werden, die Fluidstruktur innerhalb der Turbine besser zu durchschauen. Die Resultate von FACTOR stellen einen beträchtlichen Beitrag zur Konstruktion neuer Verbrennungsmotoren mit hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen dar. Diese als Magerverbrenner bekannten Triebwerke verbrennen mehr Treibstoff und stoßen weniger Emissionen aus.
Schlüsselbegriffe
FACTOR, Brennkammer, Gasturbine, Wechselwirkung zwischen Brennkammer und Turbine, Flugzeugtriebwerk, Flugzeugmotor, Strömungsfeld
