Eine der vielversprechendsten Ideen, um die Klimawirkung der Luftfahrt zu reduzieren, ist das revolutionäre Antriebskonzept Water-Enhanced Turbofan der MTU Aero Engines. Das WET-Konzept ist ein Gasturbinen-basiertes Antriebskonzept, das neben Kerosin mit Wasserstoff oder Sustainable Aviation Fuels betrieben und in allen Flugzeugklassen eingesetzt werden kann.
Neben dem Institut für Antriebstechnik arbeiten fünf weitere DLR-Institute zusammen mit dem Industriepartner MTU Aero Engines daran, dieses Konzept weiterzuentwickeln.
Der Clou: Der Water-Enhanced Turbofan (WET) nutzt die Restwärme aus dem Abgas des Triebwerks, um die Effizienz des Triebwerks zu steigern. Das WET-Konzept kombiniert den Joule-Brayton- mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozess in paralleler Ausführung (Cheng-Kreisprozess). Überhitzter Wasserdampf wird in die Brennkammer eingespritzt und nimmt damit sowohl an der Verbrennung als auch an der Leistungserzeugung in den Turbinen teil. Das flüssige Wasser wird vor der Schubdüse aus dem Abgas zurückgewonnen, anschließend auf ein hohes Druckniveau gepumpt und dann mithilfe der Restwärme aus dem Abgasstrahl in einem Wärmeübertrager verdampft und der Brennkammer erneut zugeführt. Damit ergibt sich ein geschlossener Wasserkreislauf. Insgesamt erhöht sich der thermische Wirkungsgrad des Antriebs und die Leistungsdichte des Kerntriebwerks wird gesteigert, wodurch bei gleichem Fan-Durchmesser höhere Nebenstromverhältnisse realisiert werden können.
Das Wet-Konzept der MTU Aero Engines
Das WET-Konzept nutzt die Restwärme aus dem Abgas des Triebwerks.
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MTU Aero Engines
Reduzierter Kraftstoffverbrauch und weniger klimaschädliche Emissionen
Erste Untersuchungen zeigen ein erhebliches Reduktionspotential im Missionskraftstoffverbrauch verglichen mit den nächsten Generationen der Getriebefans. Neben der Einsparung von Kohlenstoffdioxid, soll auch die Klimawirkung von Nicht-CO2-Effekten gesenkt werden indem Stickoxid-Emissionen sowie die Bildung von Kondensstreifen reduziert werden.
Das DLR-Institut für Antriebstechnik ist in mehreren Bereichen tätig:
Thermodynamische Gesamtsystembewertung: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln ein thermodynamisches Gesamtmodell, um das Zusammenspiel von Einzelkomponenten zu simulieren und einen optimalen thermodynamischen Kreisprozess festzulegen. Die Ergebnisse von detaillierten Untersuchungen einzelner Komponenten werden in das Gesamtsystemmodell integriert und das simulierte Betriebsverhalten geht in die Klimabewertung mit ein. Neben dem Betrieb mit Kerosin wird auch der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger bewertet und nach Synergieeffekten gesucht.
Simulation des Verdampfers: Der Verdampfer zur Wärmerückgewinnung ist eine Schlüsselkomponente des WET-Konzeptes und stellt im Bereich der Luftfahrt eine Neuheit dar. Für eine Anwendung in der Luftfahrt ergeben sich - im Vergleich zu stationären Anwendungen - ganz andere Anforderungen an Bauraum, Gewicht und Integrationsfähigkeit in das Gesamtsystem. Um diese Anforderungen zu erfüllen und verschiedene Auslegungen bewerten zu können, werden kompakte Wärmeübertrager durch eine geschickte Kombination von korrelationsbasierten Vorentwurfsverfahren und CFD von den Forschenden bewertet.
Experimentelle Untersuchung des Verdampfers: Am Institut für Antriebstechnik wird ein Ähnlichkeitsexperiment für einen luftfahrttauglichen Verdampfer konzeptioniert und aufgebaut. Mithilfe der experimentellen Untersuchungen können Auslegungsmethoden und Simulationen validiert und kalibriert werden. Außerdem wird die Machbarkeit von Verdampferkonzepten untersucht und wichtige Grundlagen für die weitere Technologieentwicklung gelegt.
Die Arbeiten finden in enger Kooperation mit den Verbundpartnern und weiteren DLR-Instituten statt. Am DLR-Institut für Verbrennungstechnik wird schrittweise ein Demonstrator für das WET-Konzept entstehen, der auf einem Retrofitted-Hubschraubertriebwerk basiert. Forschende am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre werden die Gesamtklimawirkung eines künftigen Flugzeugs mit WET-Technologie berechnen und bewerten, wie hoch die Einsparpotenziale gegenüber herkömmlichen Fluggasturbinen sind. Das DLR-Institut für Luftverkehr erarbeitet ein 3D-Emissionskataster zur Abbildung des Einsatzes von Triebwerken mit WET-Technologie auf Flottenebene. Das DLR-Institut für Werkstoffforschung untersucht unter anderem die Lebensdauer der Materialien. Am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte wird parallel analysiert, welche Vorteile die Kombination mit einem free-piston Composite Cycle Engine Konzept (CCE) bringen könnte.
