Magerbrennkammer für Flugtriebwerke

Herausforderungen

Strenger werdende gesetzliche Umweltvorschriften in der zivilen Luftfahrt erfordern die Entwicklung von effizienten und schadstoffarmen Flugantriebssystemen. Da die Schadstoffbildung stark mit dem Verbrennungsprozess verknüpft ist, spielt die Auslegung von Triebwerksbrennkammern bei der Reduktion von Schadstoffemissionen eine entscheidende Rolle. Magerverbrennungskonzepte verfügen über ein großes Potenzial, Verbrennungsemissionen von Flugtriebwerken deutlich zu reduzieren. Mit bereits bestehenden Konzepten wie RQL oder LDI können geforderte Emissionseinsparungen nur kurz- und mittelfristig realisiert werden. Um auch langfristige Vorgaben wie den Flightpath 2050 einzuhalten, bedarf es eines Wandels grundlegender Verbrennungstechnologien.

Abbildung 1: Brennkammer im Flugtriebwerk [1, 2]

Untersuchung eines innovativen Magerverbrennungskonzepts

Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) werden im Rahmen des Forschungsprojektes CHAiRLIFT numerische Simulationen zur Bewertung eines innovativen Magerverbrennungskonzepts für den Einsatz in Flugtriebwerken durchgeführt. Durch die Neigung der einzelnen Brenner in Umfangsrichtung einer Ringbrennkammer wird die Stabilität der Flammen durch Interaktion mit dem Nachbarbrenner erhöht. Die Kombination dieser helikalen Anordnung der Brenner mit mageren abgehobenen Flammen verspricht, langfristige Emissionsziele zu erreichen. Auf Basis von Vorhersagen der Aerodynamik und reagierenden Strömung soll die Entwicklung einer konzeptionellen Brennkammergeometrie vorangetrieben werden. Die Geometrie soll den aerothermischen Anforderungen der abgehobenen Flamme genügen. Das Projekt CHAiRLIFT ist Teil der europäischen Forschungsinitiative Clean Sky 2 mit dem Ziel der Verringerung luftfahrtbedingter Emissionen.

In einem vorangegangenen Forschungsvorhaben am ITS wurde die helikale Anordnung der Brenner im sogenannten Short Helical Combustor (SHC) eingehend untersucht [1]. Das Konzept bietet die Möglichkeit, Bauraum und damit Gewicht durch eine axiale Verkürzung der Brennkammer einzusparen. Zusätzlich werden Vorteile hinsichtlich der Betriebsstabilität und der Emissionscharakteristiken erzielt. Aufgrund der angularen Durchströmung der Brennkammer wird die benötigte Anzahl an Turbinenleitschaufeln verringert. Somit können Totaldruckverluste und Kühlluftmassenströme in der ersten Turbinenstufe reduziert und der Wirkungsgrad der Maschine erhöht werden. Durch das Neigen der Brenner ergibt sich in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Segmenten eine gestaffelte Seitenwand. Die Interaktion der Drallströmung mit der Seitenwand ist hochkomplex und ihre Untersuchung bedarf weiterer Forschungsaktivitäten.

Abbildung 2: Short Helical Combuster [3]

Ein Konzept, welches eine geringe NOx-Bildung in Brennkammern verspricht, ist die magere abgehobene Flamme [2, 3]. Diese Flamme sitzt nicht auf dem Injektor auf, sondern ist aufgrund eines lediglich schwachen Dralls der Verbrennungsluft abgehoben. Über ausgeprägte äußere Rezirkulationszonen wird die Stabilisierung der Flamme gewährleistet. Zwischen dem Injektor und der Flamme existiert eine Vormischzone, in der eine nahezu vollständige Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft stattfindet. Die Vormischung führt zu einer gleichmäßigen Wärmefreisetzung und reduziert Stickoxidemissionen bei mageren Bedingungen, indem Temperaturspitzen in der Reaktionszone abgebaut werden.

Abbildung 3: Abgehobene Flamme [4, 5]

Ziele im Forschungsbereich

Das vorgestellte innovative Brennkammerkonzept ermöglicht es, den Anforderungen zukünftiger Triebwerksgenerationen hinsichtlich des Schadstoffausstoßes gerecht zu werden. Es beruht auf der Kombination einer angestellten Brenneranordnung mit mageren abgehobenen Flammen. Die Ziele des Forschungsvorhabens am ITS lauten wie folgt:

  • Entwicklung eines konzeptionellen Designs für die Brennkammer mit angularer Luftzufuhr und abgehobener Flamme
  • Aufbau von Verständnis über dominierende Strömungsphänomene und Ableitung von Gestaltungsrichtlinien
  • Bewertung der Möglichkeiten zur Beeinflussung des Strömungsfeldes durch systematische Parametervariation
  • Charakterisierung der Interaktion der Drallströmung mit der Seitenwand

Quellen

[1] Ariatabar, B. (2019): Aerothermal Analysis of an Aeroengine Annular Combustor Concept with Angular Air Supply, Bd. 79 von Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen. Logos Verlag, Berlin. ISBN 978-3-8325-4998-5.

[2] Kasabov, P. (2014): Experimentelle Untersuchungen an abgehobenen Flammen unter Druck. Dissertation, Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik. Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

[3] Sedlmaier, J. (2019): Numerische und experimentelle Untersuchung einer abgehobenen Flamme unter Druck. Dissertation, Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik. Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Bildnachweise

[1] Flugtriebwerk: Rolls-Royce

[2] Brennkammer: Gessel, M. (2015). Proceedings of ASME Turbo Expo 2015. GT2015-42328.

[3] Short Helical Combustor: Ariatabar, B. (2016). Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. GTP-15-1291.

[4] Abgehobene Flamme (Skizze): Kasabov, P. (2013). Flow, Turbulence and Combustion.

[5] Abgehobene Flamme (Foto): Fokaides, P. (2008). Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. GT2007-27126.