Bewegte Überschallschockwellen nachbilden
Triebwerke bestehen typischerweise aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Die Luft durchströmt diese Bauteile in der genannten Reihenfolge und liefert den für den Verbrennungsprozess nötigen Sauerstoff. „Die Analyse hat gezeigt, dass der Ersatz der traditionellen Brennkammer durch eine rotierende Detonationsbrennkammer die Gesamteffizienz der Maschine erheblich steigern könnte“, erklärt Lukas Inhestern, Koordinator des Projekts ROTRANS von der Purdue University in den Vereinigten Staaten.
Das Potenzial der rotierenden Detonationsbrennkammern
Das Grundkonzept einer rotierenden Detonationsbrennkammer besteht darin, dass der Brennstoff durch eine sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitende Detonationswelle verbrannt wird, was nicht nur einen Temperatur-, sondern auch einen Druckanstieg bewirkt. Zu den größten Nachteilen gehören jedoch Ausströmungen im Über- und Unterschallbereich. Vor allem aber können Überschallschockwellen, wenn sich die Gasdichte oder die Temperatur plötzlich ändert, die Triebwerksleistung erheblich beeinträchtigen und Instabilitäten verursachen. „Der Schlüssel zur Erschließung des Potenzials rotierender Detonationsbrennkammern für die Energieerzeugung liegt in der Entwicklung einer Turbine, die sowohl mit Unterschall- als auch mit Überschallströmung effektiv arbeiten kann“, sagt Inhestern.
Die Überschallschockwellenbildung nachmachen
Das Ziel des Projekts ROTRANS, das von der TU Berlin in Deutschland koordiniert und im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt wurde, bestand darin, den Übergang von der Unterschall- zur Überschallströmung besser zu verstehen, um die Konstruktion robusterer und effizienterer Triebwerke mit rotierender Detonationsbrennkammer zu erleichtern. Zunächst mussten physikalische Gleichungen zur Bewertung der aerothermischen Verluste während dieses Prozesses abgeleitet werden, um diesen Prozess zu bewerten. „Dann haben wir die Komplexität des Problems reduziert“, fügt Inhestern hinzu. „Anstelle komplexer 3D-Simulationen haben wir eindimensionale Simulationen eingesetzt. Dieser Ansatz half uns dabei, den treibenden Mechanismus hinter diesem Prozess zu erkennen.“ Auf diese Weise konnte Inhestern die Bedingungen für Überschallströmungen auf eine einfache, aber effektive Weise nachbilden. „Wir haben einen dünnen Wasserfilm verwendet, um eine Überschallströmung zu imitieren“, erklärt er. „Sie können das zu Hause sehen: Wenn das Wasser aus dem Küchenwasserhahn auf die Spüle trifft, bildet es einen dünnen Film.“ Anstelle einer Küchenspüle bauten Inhestern und sein Team jedoch eine Anlage mit einer vier Quadratmeter großen Glasfläche. Das Wasser wird sanft über die Oberfläche abgegeben, wodurch ein dünner Wasserfilm entsteht. Einige Pumpen und Behälter sorgen dafür, dass das Wasser kontinuierlich zirkuliert. Der nächste Schritt war die Konstruktion eines über eine Riemenscheibe angetriebenen Arms, der sich von einer Seite der Testfläche zur anderen bewegt. Diese Bewegung erzeugt, indem sie die Oberfläche kaum durchbricht, jene Überschallschockwellen, die Inhestern nachbilden wollte.
Neue Technologien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen
Experimente mit dieser Anlage bestätigten, was Inhestern und sein Team mithilfe ihrer vereinfachten Simulationsmodelle vorhergesagt hatten. Dies deutet darauf hin, dass der ROTRANS-Wassertisch ein äußerst effektives und effizientes Mittel zur Prüfung von Überschallströmungen und zur Bewertung der Wirksamkeit neuer Triebwerkskonstruktionen sein könnte. „Das Verständnis des Verhaltens von Überschallschockwellen wird eine Hilfe beim Konstruieren von Überschallturbinen und -kompressoren sein“, sagt er. „Konstruktionsfachleute für sämtliche fluiddynamischen Vorrichtungen können von der Formulierung der aerothermischen Verluste profitieren.“ Dies wiederum könnte die Entwicklung von effizienteren und sichereren Triebwerken fördern. Um unsere Treibhausgasemissionen zu verringern, sind neue Konzepte und Technologien gefragt. Zu diesem Schlüsselbereich kann das Projekt ROTRANS einen wertvollen Beitrag leisten.
Schlüsselbegriffe
ROTRANS, Überschall, Unterschall, Triebwerke, Schockwellen, Verbrennung, Emissionen
