Die Temperaturen in Triebwerksbrennkammern liegen mit bis zu 2500 K weit über den zulässigen Materialtemperaturen der Brennkammerwand. Daher ist eine intensive Kühlung der Brennkammerwand erforderlich, für die ein erheblicher Anteil der verdichteten Luft genutzt wird. Zukünftige leistungsstärkere, effizientere und emissionsärmere Triebwerke erfordern hocheffiziente Kühlkonzepte mit deutlich reduziertem Kühlluftbedarf.
Neben Simulationsrechnungen sind Experimente bei realistischen Betriebsbedingungen unverzichtbar für das Verständnis der strömungsmechanischen Vorgänge sowie für die Auslegung und Weiterentwicklung von Kühlkonzepten. Zu diesem Zweck wurde ein Kühlungsprüfstand aufgebaut, in dem die Kühlungseigenschaften von metallischen und keramischen Brennkammerwandelementen bei realistischen Betriebsbedingungen charakterisiert werden.
Der Einfluss von Druck und Hitze auf den Prüflung wird mit Infrarot-Kamera und Sensoren gemessen
Die Prüflinge sind im Originalmaßstab und aus den gleichen Werkstoffen wie in der realen Brennkammeranwendung. In einer Brennkammer wird unter erhöhtem Druckheißes Abgas erzeugt. In der nachgeschalteten Messstrecke strömt dieses heiße Abgas über das zu untersuchende Wandelement und stellt so die Wärmebelastung her. Die Abgasströmung weist dabei eine für Triebwerksbrennkammern typische Geschwindigkeitsverteilung (Drall und Turbulenz) sowie eine typische Temperaturverteilung auf. Der Prüfling in der Messstrecke wird mit vorgeheizter Luft gekühlt. Mit einer Infrarotkamera wird der Einfluss der Betriebsparameter auf die Temperaturverteilung des Wandelements erfasst. Wärmestromsensoren messen die in die Wand eintretende Wärmestromdichte.
Besonders schadstoffarme Magerbrennkammern neigen zu Verbrennungsschwingungen. Die daraus resultierenden Druckschwankungen können die Kühlungseigenschaften verschlechtern. Zur Untersuchung dieser Fragestellung können die Versuche sowohl unter stationären Bedingungen als auch unter dem Einfluss von Druckschwingungen durchgeführt werden. In einer weiteren Druckkammer ohne optischen Zugang können Rohrbrennkammern unter realen Triebwerksbedingungen untersucht werden. In dieser Konfiguration wurde der Prüfstand für Demonstratorversuche mit Brennkammern aus faserverstärkter Keramik (Ceramic Matrix Composites) genutzt.
Schematischer Aufbau der Hochdruck-Kühlungsmessstrecke
