Innovative Drucksonden für weniger Ausfälle bei Magermotoren
Im kontinuierlichen Bestreben, umweltfreundliche Treibstoffe ohne gesundheitsschädliche Emissionen zu entwickeln, sind Magermotoren eine Alternative, die weniger Treibstoff verbraucht und weniger Treibhausgase emittiert. Anders als bei herkömmlichen Brennkammern wird bei magerer Verbrennung und geringem Stickoxidgehalt (NOx) der Treibstoff im Flammrohr der Brennkammer mit mehr Luft vermischt als für die stöchiometrische Verbrennung nötig ist, was die Flammtemperatur und damit die Erzeugung von Stickoxid (und anderen Schadstoffen) reduziert.
Zwei Hauptprobleme: Verbrennungsinstabilität und Geräuschentwicklung
Wir sind dem Ziel, Stickoxidemissionen in Magermotoren zu reduzieren, inzwischen deutlich näher. „Trotz fortschrittlichster Konstruktion bestehen beim Betrieb von Magermotoren noch immer Probleme aufgrund hoher Verbrennungsinstabilität und Lärmemission“, erklärt Julien Clinckemaillie, Forschungsingenieur am Von-Karman-Institut für Strömungsmechanik(öffnet in neuem Fenster), Belgien, und Koordinator des EU-finanzierten Projekts FAST TAPS(öffnet in neuem Fenster). Viele neuere Studien forschen bereits zu Ursachen, Entstehung und Dynamik von Verbrennungsinstabilitäten sowie dem Beitrag der Brennkammer zur Gesamtgeräuschbelastung der Gasturbine. „Voraussetzung, um Verbrennungsinstabilitäten und Lärmbelastung experimentell untersuchen zu können, sind vor allem neue reaktionsschnelle Druckmessverfahren, die unter den herausfordernden Bedingungen in Gasturbinenbrennern funktionieren“, ergänzt Clinckemaillie.
Modernste Technologie zur Berechnung von Verbrennungsinstabilitäten und Lärmbelastung
Im Rahmen von FAST TAPS wurden Prototypen für fortschrittliche Verbrennungssteuerungssysteme entwickelt, um neue Erkenntnisse über Verbrennungsinstabilitäten und Geräuschentwicklung unter realistischen Motorbedingungen zu liefern. „So konnten wir acht wandmontierte, reaktionsschnelle Drucksensoren für die Primärzone der Brennkammer in einer bodengestützten Wellenturbine konstruieren und anpassen“, erklärt Clinckemaillie. Der hochempfindliche, reaktionsschnelle Drucksensor ist in der gekühlten Sondenspitze untergebracht, wo die Temperatur nur etwa 80 °C beträgt, obwohl die Umgebungstemperatur in der Brennkammer bis auf 1 600 °C steigen kann. „Wir entwickelten eine effektive Kühlung, die den empfindlichen Sensor schützt, wobei möglichst viele Messvorgänge und minimale Intrusiviät des Sensors die Zielvorgabe waren, aber auch eine große Herausforderung“, so Clinckemaillie. Der Prototyp der Sonde überstand vier Triebwerksstarts und 32 Minuten effektive Testzeit in der Primärzone einer Wellenleistungsgasturbine im Leerlauf. Probleme bei der Ummantelung des Sensors, die sich in Tests zeigten, konnten durch bessere Rußabdeckung am Sensor behoben werden.
Technologie mit großer Wirkung
Verbrennungsinstabilitäten sind die größte Hürde beim Design emissionsarmer Brennkammern für Magermotoren in Triebwerken der nächsten Generation. Durch Klärung der Ursachen von Verbrennungsinstabilitäten unter realistischen Bedingungen (Gasturbinentriebwerke) förderte FAST TAPS die Entwicklung fortschrittlicher Brennkammertechnologien mit niedrigerem Kohlendioxid-/Stickoxidausstoß und Geräuschpegel. Damit ebnet das Projekt den Weg zu umweltfreundlicheren und leiseren Turbinentriebwerken in der Wellenleistungsklasse von 1 800 bis 2 000 PS für den kommerziellen Flugverkehr und regionale Kurzstreckenflüge. „Die Zusammenarbeit zwischen dem Von-Karman-Institut und dem Unternehmen Safran Helicopter Engines(öffnet in neuem Fenster) war während der gesamten Projektdauer sehr fruchtbar, insbesondere während der Tests auf dem innovativen Bearcat-Prüfstand von Safran in Bordes, Frankreich. Damit konnte wir das endgültige Design des Sensors prüfen und ausreifen“, ergänzt Sébastien Detry, Projektmanager bei der Entwicklung des Ardiden-3-Wellentriebwerks im Rahmen der Initiative Clean Sky 2. „Wir haben mit FAST TAPS jetzt ein voll funktionsfähiges Messsystem. In künftigen Tests unter motortypischen Bedingungen kann Safran mithilfe der Messvorrichtung von FAST TAPS nun Konstruktionsmodelle und Verbrennungsleistung optimieren.“
Schlüsselbegriffe
FAST TAPS, Verbrennungsinstabilität, Lärm, Magermotor, Brennkammer, Stickoxid, Drucksensor, Wellentriebwerk
