Endoskopische Messtechnik in Flugzeugtriebwerken

Wissenschaftler des DLR haben ein spezielles optisches Messverfahren entwickelt und unter den realitätsnahen Betriebsbedingungen eines Flugbetriebs angewendet. Mithilfe von endoskopischen Sonden eröffnen optische Bildleitersysteme Einblicke in die Brennkammer des Triebwerks durch kleinste Öffnungen. Die Messergebnisse tragen in Zukunft dazu bei, Flugzeugtriebwerke leiser, langlebiger und umweltfreundlicher zu machen.

Eine optimale Verbrennung zu erreichen, ist das Ziel der Triebwerkforscher des DLR-Instituts für Antriebstechnik in Köln. Die Vorgänge in der Brennkammer von Turbinen sind ein Schlüsselelement bei der Entwicklung langlebiger und umweltfreundlicherer Flugzeugantriebe. „Die endoskopische Messtechnik erlaubt uns Daten zu erhalten, um das Strömungsfeld an wichtigen Positionen im Triebwerk zu verstehen, die vorher nicht für optische Messtechniken zugänglich waren. Durch die neue Form der Messtechnik sind am eingesetzten Prüfstand nur geringfügige Umbauarbeiten erforderlich“, erklärt Projektleiter Guido Stockhausen.

Beim Betrachten einer Kerze fällt auf, dass eine Flamme aus verschiedenen Zonen besteht, die nicht nur unterschiedliche Farben, sondern auch unterschiedliche Temperaturen besitzen. Das Betrachten von Flammen beziehungsweise der Verbrennung in der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks ist ungleich schwerer, aber umso wichtiger. Denn hier wird der Treibstoff in Energie umgewandelt, die letztlich den Antrieb des Flugzeugs ausmacht. Eine effiziente Verbrennung holt aus dem Treibstoff die maximale Leistung. Bei einer sauberen Verbrennung ist auch der Schadstoffausstoß im Abgas so gering wie möglich.

Versuchsbrennkammern mit gläsernen Wänden und speziellen Öffnungen für Messinstrumente haben in der Vergangenheit wichtige Beiträge zum grundsätzlichen Verständnis der Verbrennung in Triebwerken geleistet. Die gewonnenen Ergebnisse wurden für Computersimulationen und neue Entwicklungen genutzt. Allerdings konnte mit dieser Technik nur ein Brennkammersektor dargestellt werden. Moderne Flugzeugtriebwerke haben eine Ringbrennkammer, die aus 16 und mehr Brennkammersektoren mit ebenso vielen Brennern besteht.

Beim gleichzeitigen Einsatz aller Brenner eines Vollrings können Schwingungen entstehen, welche die Leistung der Brennkammer beeinflussen und im Extremfall zu Schäden am Triebwerk führen. Dieses Phänomen ist bekannt, ließ sich aber mit der herkömmlichen Messtechnik nicht hinreichend untersuchen. Mithilfe der verkleinerten Messtechnik können die DLR-Wissenschaftler ihre Untersuchungen deutlich näher an den realen Bedingungen in einem Triebwerk durchführen.

Die Strömungen am Übergang zwischen der Brennkammer und der Turbine sind ein weiterer Schwerpunkt des Interesses. Die hier vorherrschenden Temperaturen erreichen über 2000 Grad Celsius und Drücke über 20 Bar. Der Schmelzpunkt von Metall liegt je nach Legierung um 1500 Grad Celsius. Turbinenschaufeln sind aus diesem Grund mit einer Kühlung sowie mit einer Hitzeschutzschicht aus Keramik ausgestattet, werden aber dennoch besonders stark beansprucht.

Für die Messungen setzen die Forscher das Verfahren der gefilterten Rayleigh-Streuung (FRS) in endoskopischer Ausführung ein. Über eine Kristallfaser bringen sie Laserlicht in die Austrittsebene der Brennkammer ein und beobachten über einen Bildleiter das entstehende Rayleigh-Streulicht wie durch ein Schlüsselloch. Durch eine nachfolgende Analyse des empfangenen Streulichts lassen sich physikalische Größen wie Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle zeitgleich und exakt bestimmen.

„Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung der endoskopischen Streulichttechnik ist die Übertragbarkeit der Messtechnik auch auf andere Bereiche, wie zum Beispiel der Stromerzeugung mit einer stationären Gasturbine, wo verwandte Probleme nun ebenfalls untersucht werden können." sagt Stockhausen.

DLR / RK