Ongoing Research: H2-Brennkammern mit niedrigen NOx-Emissionen (H2-LoNOCS)

Im Vergleich zur RQL-Verbrennung in mit Wasserstoff betriebenen Flugtriebwerksbrennkammern ist der Wissensstand zur technisch-vorgemischten Verbrennung mit Wasserstoff in Flugtriebwerken noch weit zurück. Dies gilt sowohl für die konzeptionelle Ebene als auch für die Optimierung erfolgversprechender Konzepte. Vorteile einer Weiterentwicklung zur vorgemischten Wasserstoffverbrennung sind allerdings v.a. mit Bezug auf die Verminderung von NO_x-Emissionen zu erwarten. Im Vorhaben soll das Verhalten innovativer, vorgemischter, für die Wasserstoffverbrennung geeigneter Injektions- und Brennverfahren untersucht werden. Hierbei wird es einerseits um das stationäre (Gemischbildung und Wärmefreisetzungsverteilung) und das transiente (Zündung, Hochfahren und Abstellen) Verhalten gehen und andererseits um die thermoakustische Verbrennungsstabililtät mit niedrigsten NO_x-Emissionen. Dabei legt GE Aerospace die Injektions- und Brennverfahren aus und liefert sie der TUM zu, wo die o.g. Experimente durchgeführt werden.

Zudem soll ein neuartiges axial gestuftes System an der TUM entwickelt und erste Funktionstests durchgeführt werden. Dieses System soll die entwickelte Technik zur gestuften Wasserstoffverbrennung von stationären Gasturbinen auf Flugantriebe anwenden und somit neue Wege für die Reduktion von Emissionen aufzeigen. Dabei hat das gestufte System ein erhöhtes Reduktionspotential gegenüber dem nicht gestuften. Um den Ansprüchen in verschieden Fluglagen und somit verschiedenen Lastanforderungen gerecht zu werden, werden die Stufen in verschiedenen Konfigurationen auf unterschiedliche Arbeitspunkte zugeschnitten. Dieses Konzept wird zuerst simulativ ausgelegt und dann experimentell erprobt, wobei die Messungen zur Emission im Vordergrund stehen.

Ongoing Research: SAFMech - Verbrennungsmodelle für Industrieanwendungen

Aufgrund des zunehmend dringlichen Problems der Klimaerwärmung strebt die Luftfahrtindustrie den Einsatz von nachhaltigen Flugzeugtreibstoffen (SAF) an. Während die Verwendung von SAF CO₂-Emissionen reduziert und möglicherweise zur CO₂-Neutralität führen könnte, wird das Problem der Nicht-CO₂-Emissionen, wie Stickoxide (NO_x) und Ruß, nicht direkt adressiert.

Das SAFMech-Projekt soll diese Lücke schließen und zielt darauf ab, die chemisch-physikalischen Prozesse mittels innovativer Methoden zu untersuchen, die bei der Verbrennung von SAF-Surrogaten ablaufen. Fokus sind SAF-Surrogate, welche über die Fischer-Tropsch-Synthese (FT) oder dem Alcohol-to-Jet-Verfahren (ATJ) hergestellt werden. Fortschritte bei den Untersuchungen sollen für die industrielle Anwendung verwertbar sein.

Die Arbeit in SAFMech umfasst die Erstellung detaillierter chemisch-kinetischer Reaktionsmechanismen für SAF-Surrogate unter Verwendung der „Reaction Mechanism Generator“ (RMG)-Software, gefolgt von der Entwicklung von einem Tool zur Reduktion und Optimierung der Mechanismen, wobei die Genauigkeit der detaillierten Mechanismen so gut wie möglich erhalten werden soll. Die reduzierten kinetischen Mechanismen werden zusammen mit fluiddynamischen Modellen zur Vorhersage wesentlicher Verbrennungseigenschaften verwendet. Aufgrund ihrer Rolle bei der Rußbildung und dem Rußwachstum zielt die Studie zusätzlich darauf ab, einen detaillierteren Einblick in die Bildung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) zu gewinnen.

Das SAFMech-Projekt, gefördert durch das Bayerische Luftfahrtforschungsprogramm "BayLu25", trägt zu den Umweltschutzzielen, veröffentlicht im Bericht „Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation“, bezüglich der Lärmminderung und der Umweltverträglichkeit von Flugtriebwerken bei.

Ongoing Research: Das GreenerRQL Projekt

Das Growl/Rumble-Phänomen beschreibt tieffrequenten Lärm, welcher auch in der Flugzeugkabine wahrnehmbar ist und als unangenehm empfunden werden kann. Darüber hinaus besteht das Risiko von Triebwerksschäden. Es wird davon ausgegangen, dass Äquivalenzverhältnis- und Entropiewellen das Growl/Rumble-Phänomens verursachen. Besonders im Kontext der Wasserstoffverbrennung herrscht jedoch ein Mangel an fundierten Untersuchungen.

Im Rahmen des Vorhabens „Greener-RQL“ soll deshalb die entropiewellengetriebene Thermoakustik mit zwei verschiedenen Treibstoffen untersucht werden: Kerosin - der Treibstoff aktueller Flugtriebwerke - und Wasserstoff - der Treibstoff einer neuen Generation von Flugtriebwerken. Durch „Greener-RQL“ soll somit ein besseres Verständnis zur Ausbreitung von Äquivalenzverhältnis- und Entropiewelle erlangt werden, sowie deren Rückkopplung auf die akustische Wellenausbreitung in einer luftgestuften Brennkammer (RQL).

RQL-Brennkammern sind traditionell darauf ausgelegt Stickoxidemission zu reduzieren. Diese Art von Brennkammern teilen die Verbrennung in zwei Stufen: Die erste Stufe der Verbrennung findet unter Sauerstoffmangel statt und siedelt sich daher im fetten Bereich an. Für die zweite Stufe der Verbrennung wird Luft zugeführt, sodass ein Luftüberschuss vorliegt und somit eine magere Verbrennung begünstigt wird. Durch die luftgestufte Brennkammer soll eine Verbrennung nahe des stöchiometrischen Gleichgewichts und bei hohen Temperaturen umgangen werden, bei welchem die Konzentration von Stickoxiden am höchsten wäre.

„Greener-RQL“ wird durch das Bayerische Luftfahrtforschungsprogramm „BayLu25“ gefördert und leistet durch die Unterstützung der Wasserstofftriebwerksentwicklung einen Beitrag zur Lärmreduktion und zur Umweltverträglichkeit von Flugzeugtriebwerken.

Ongoing Research: Wasserstoffkonditionierung und Safety (WAKOS)

Im Vergleich zur Verbrennung von mit Kerosin betriebenen Flugtriebwerkskammern ist der Wissensstand zur Wasserstoffverbrennung im Luftfahrtbereich noch deutlich zurück. Dies gilt sowohl auf konzeptioneller Ebene als auch für die Optimierung von Erfolg versprechenden Ansätzen. In diesem Vorhaben soll auf die beim Kerosinbetrieb übliche Strategie der Luftstufung mit sog. RQL (Rich-Quench-Lean) Verbrennung aufgebaut werden. Dabei werden Schadstoffemission durch eine mehrschrittige Verbrennung deutlich reduziert. Aufgrund der sehr unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff gegenüber Kerosin soll das Verhalten innovativer, für die Wasserstoffverbrennung geeigneter Injektions- und Stufungsszenarien untersucht werden. Hierbei wird zum einen das stationäre Verhalten, wie Gemischbildung und Wärmefreisetzungsverteilung, als auch das transiente Verhalten bzgl. Zündung, Hochfahren und sicherem Abstellen, untersucht werden. Zusätzlich liegt ein hohes Augenmerk auf möglichen thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten. Das Vorhaben reiht sich in einem größeren Forschungsverbund ein, um auf dem Weg zur sicheren und zuverlässigen Brennkammertechnologie der Zukunft für Wasserstoffantriebe voranzukommen.

Ongoing Research: HydrogEn combuSTion In Aero engines (HESTIA)

Motivation

To reduce the climate impact of aviation, decarbonisation is a major challenge. Current combustion chambers are burning hydrocarbon fuels, such as kerosene or more recently emerging SAF products. Hydrogen is also considered today as a promising energy carrier but burning hydrogen creates radically new challenges which need to be understood and anticipated.
HESTIA focuses on increasing the scientific knowledge on hydrogen fuelled aero-engines. The related physical phenomena will be evaluated through fundamental experiments. This experimental work will be closely coupled to numerical activities by project partners who will adapt or develop models and progressively increase their maturity so that they can be integrated into industrial CFD codes.

To this end, HESTIA gathers 17 universities and research centres as well as the 6 European aero-engine manufacturers to significantly prepare in a coherent and robust manner for the future development of hydrogen combustion chambers.

(Source: European Comission)

Experimental Setup

The experimental measurements are going to be carried out on the LaBreVer test rig at TUM. The rig allows for testing diffusive, perfectly premixed, and technically premixed combustion conditions with gaseous and liquid fuels. Pressure data can be gathered by several static and dynamic pressure sensors spread along the channel. Besides, chemiluminescence measurements are going to be used for flame visualization. The flame topology will provide valuable insights into flame dynamics.