Wasserstoff als Primärenergieträger stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur CO2-freien Luftfahrt dar. Als sinnvolle Zwischenstufe sollen bivalente Verbrennungssysteme (Wasserstoff und Sustainable Aviation Fuels, SAF) die Entwicklung von H2-tauglichen Triebwerken und die Verbreitung der erforderlichen Wasserstoff-Infrastruktur vorantreiben. Der Wasserstoff/Flüssig-Kombibetrieb ist besonders für Brennkammer und Turbine herausfordernd, da eine gestufte Verbrennung mit zwei Kraftstoffleitungen konzipiert werden muss. Brennkammer und Brenner müssen so aufeinander abgestimmt werden, dass Emissionen minimiert werden und die Betriebsstabilität gewährleistet wird. Turbinenseitig ist für den gemischten Betrieb mit neuer Brennkammerarchitektur eine Neuentwicklung für erhöhten Wirkungsgrad bei höherem Wassergehalt im Abgas notwendig. Die erste Turbinenstufe in einem Triebwerk liegt stromab der Brennkammer, in der hohe Turbulenzen erzeugt werden. Dadurch sind die Grenzschichten fast vollständig turbulent. Zusammen mit der hohen Abgastemperatur ist die thermische Belastung der Bauteile extrem. Um dem entgegenzutreten, werden Kühlsysteme eingesetzt. Die Auslegung der Kühlung ist selbst für Kerosin verbrennende Triebwerke nach Jahrzehnten noch nicht ausgereizt, wodurch Bauteile teilweise zu stark und teilweise zu wenig gekühlt werden. Bei der Nutzung von Wasserstoff ist dieses Problem aufgrund der geringeren Erfahrung noch ausgeprägter.
Das Verständnis der Turbulenz und deren Migration durch eine Turbine hilft dabei, die Auslegung des Kühlsystems zu verbessern und damit Kühlluft effektiv einzusetzen sowie die Lebensdauer von Bauteilen zu erhöhen. Dafür sollen umfangreiche Versuche am Turbinenprüfstand des DLR Instituts für Antriebtechnik in Göttingen durchgeführt werden. Aufgrund der Zugänglichkeit des Rigs und des Platzbedarfs der Messinstrumente kann nur ein geringer Teil des Strömungsfeldes vermessen werden. Das Turbulenzverhalten wird nicht vollständig erfasst, wodurch ein Simulationsmodell der Turbine notwendig ist, mit dem die Turbulenzmigration im Zusammenspiel aus Strömung, Rig-Struktur und Messtechnik an jeder beliebigen Stelle erfasst werden kann. Zur Verifikation der Berechnungen werden die Ergebnisse mit den Messungen an diskreten Punkten abgeglichen.
Aufgrund der thermischen Aspekte ist eine gekoppelte Simulation von Fluid und Struktur unerlässlich, um eine möglichst hohe Genauigkeit bei den Simulationen zu erreichen. Zusätzlich muss die Größe der FE-Modelle beachtet werden, da die Struktur der Turbine wegen der aufwendigen Kühlluftzuführungen sehr komplex ist. Durch den Abgleich zwischen Experiment und Simulation können auch mögliche Ansätze zur Verbesserung der Modellierung und der Messtechnik erarbeitet werden. Somit werden auch in Zukunft die Entwicklungszeiträume neuer Technologien weiter verringert.
