Auswirkung von Wasserstoffverbrennung auf Fluggasturbinen
Projekt HESTIA
Wasserstoff in Fluggasturbinen
Die Ziele von HESTIA fokussieren sich darauf, die Dekarbonisierung der Luftfahrt bis 2050 durch den Einsatz von Wasserstoff in Fluggasturbinen nach den Vorgaben des European Green Deals umzusetzen. Die experimentelle Untersuchung der Verlösch- und Wiederzündfähigkeit verschiedener wasserstoffbetriebener Injektoren anhand Hochgeschwindigkeitsaufnahmen am DLR-Standort Köln erweitern die wissenschaftlichen Erkenntnisse über Wasserstoffverbrennung hin zu anwendungsnahen Extrembedingungen.
Um die Auswirkung von Wasserstoffverbrennung auf Fluggasturbinen zu verstehen, werden innerhalb von HESTIA grundlegende experimentelle Untersuchungen und vereinfachte Modellierung von spezifischen Brennkammeraspekten umgesetzt und gekoppelt. Der parallel dazu stattfindende Aufbau von anwendungsnahen experimentellen Anlagen und die Entwicklung von komplexen numerischen Modellen für die detaillierte Untersuchung auf Grundlage von realen Betriebsparameter ergänzen diese Forschungsarbeiten. Ein herausgehobener Aspekt von HESTIA ist die Untersuchung und Entwicklung von Wasserstoff-Eindüssystemen und die Einschätzung ihrer Leistungsfähigkeit.
Spezifisch das Verlöschverhalten und Wiederzündfähigkeiten von Wasserstoff in Flugtriebwerken sind bisher experimentell wenig untersucht. Das Wiederzünden von klassischen kerosinbetriebenen Triebwerken gestaltet sich insofern schwierig, dass in großen Höhen die Umgebungstemperatur und der Druck niedrig sind. Lediglich der Staudruck des Triebwerks durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs führt zu einer Luftströmung durch die Brennkammer.
Bild einer H2-Flamme
OH*-Chemilumineszenz Aufnahme einer Wasserstoff-Flamme am Prüfstand Atmosphärische-Primär-Zone am DLR-Institut für Antriebstechnik in Köln.
Gegenüber Kerosin hat Wasserstoff den Vorteil, dass die Verdampfung entfällt und Wasserstoff auch bei niedrigerer Konzentration entflammt. Dadurch ist ein generell verändertes Zündverhalten gegeben. In welchem Umfang sich dies auswirkt, oder sogar zu einer vereinfachten Zündung führt, wird unter Anwendung des Atmosphärischen-Primär-Zonen Prüfstands am DLR-Institut für Antriebstechnik in Köln untersucht.
Hierbei werden verschiedene Injektoren bei realitätsnahen Bedingungen gezielt verlöscht und (wieder-) gezündet, um beispielsweise die Ausbreitung der Flammen unter Anwendung von Hochgeschwindigkeitskameras zu verfolgen. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der optischen Zugänglichkeit der interessanten Strukturen, um diese mit laserbasierten Messtechniken mit hoher Zeitauflösung darzustellen. Die Variation der Injektoren, und dadurch zum Beispiel die Variation der Mischung, der Kraftstoffverteilung und der relativen Zündposition, eröffnen den zu untersuchenden Variablenraum. Im Forschungsverbund des HESTIA-Projekts ist ein Vergleich dieser Erkenntnisse mit numerischen Daten vorgesehen. Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern das Verständnis der Betriebsgrenzen von wasserstoffbetriebenen Fluggasturbinen, um einen verlässlichen und robusten Betrieb sicherzustellen.
