24.07.2023 • Energie

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.

Abb.: In dieser gläsernen Triebwerks­brennkammer wird das Brennverhalten von...
Abb.: In dieser gläsernen Triebwerks­brennkammer wird das Brennverhalten von reinem Wasserstoff untersucht. (Bild: DLR)

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

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