Optimierung der Verbrennung 22.12.2014, 06:55 Uhr

Endoskop ermöglicht Blick in aktive Flugzeugturbine

Mit Endoskopen schauen Forscher in die Brennkammer einer Flugzeugturbine. Dort können sie Unregelmäßigkeiten bei der Verbrennung erkennen, die Lärm verursachen und den Spritverbrauch erhöhen. Diese Analyse hilft den Konstrukteuren, Fehler zu beseitigen.

Produktion einer Flugzeugturbine bei Rolls-Royce: Die Ingenieure streben eine saubere Verbrennung an. Denn dann sinken Treibstoffverbrauch und Emission.

Produktion einer Flugzeugturbine bei Rolls-Royce: Die Ingenieure streben eine saubere Verbrennung an. Denn dann sinken Treibstoffverbrauch und Emission.

Foto: Rolls-Royce

Wie durch ein extrem kleines Schlüsselloch lässt sich jetzt das komplexe Geschehen in der Brennkammer einer Flugzeugturbine beobachten. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben diese Technik entwickelt, um die Verbrennung zu optimieren. Das hat positive Auswirkungen in zweierlei Hinsicht.

Zum einen werden die Motoren leiser, weil Schwingungen reduziert werden, zum anderen sinken Spritverbrauch und damit Emissionen. Die Abgase enthalten außerdem weniger Kohlenwasserstoffe, weil sie vollständiger als bisher verbrennen. Optimal arbeitende Turbinen sind vermutlich auch langlebiger.

Laserblitze treffen Flammen in der Brennkammer

Die Analysetechnik basiert auf endoskopischen Sonden, die aus der Medizin bekannt sind und unter anderem bei Magenspiegelungen zum Einsatz kommen. Sie bestehen aus dünnen Glasfasern, durch die Laserblitze in die Flammen geschossen werden. Die verbrennenden Moleküle streuen die Lichtpartikel in alle Richtungen. Ein Teil landet wieder am Ausgangspunkt, dem Ende der Glasfasern, und wird aufgezeichnet. Gefilterte Raleigh-Streuung nennt sich dieses Verfahren.

Mit einer experimentellen transparenten Brennkammer testeten die DLR-Forscher das neue Analysewerkzeug. Bei echten Turbinen wird es etwas schwieriger. Sie haben oft 16 Brennkammern, die sich gegenseitig beeinflussen.

Mit einer experimentellen transparenten Brennkammer testeten die DLR-Forscher das neue Analysewerkzeug. Bei echten Turbinen wird es etwas schwieriger. Sie haben oft 16 Brennkammern, die sich gegenseitig beeinflussen.

Foto: DLR

Aus den empfangenen Bildern aus der Brennkammer können die DLR-Forscher Rückschlüsse auf die Strömungen in den wabernden Flammen und ihre Temperatur ablesen, die in verschiedenen Zonen unterschiedlich ist. Sie vergleichen das gern mit einer Kerzenflamme, in der die unterschiedlichen Temperaturzonen unterschiedliche Farben haben. „Die endoskopische Messtechnik erlaubt uns, Daten zu erhalten, die vorher nicht für optische Messtechniken zugänglich waren“, sagt Guido Stockhausen vom DLR-Institut für Antriebstechnik.

Gefährliche Schwingungen

Bisher arbeiteten die Triebwerksforscher unter anderem mit einer einzelnen Brennkammer, die gläserne Wände hatte, sodass man das Flammenmeer beobachten konnte. Das habe zwar wichtige Erkenntnisse gebracht. Doch moderne Turbinen haben 16 und mehr Brennkammern, die sich gegenseitig beeinflussen. Es können beispielsweise Schwingungen entstehen, die den Wirkungsgrad reduzieren und die Turbine schädigen. Auch dieses Phänomen wird mit der neuen Messtechnik sichtbar und damit behebbar, etwa durch eine modifizierte Formgebung der Kammer oder Veränderungen an den Einspritzdüsen.

Die endoskopischen Sonden bestehen aus dünnen Glasfasern, die Laserblitze in die Verbrennungskammer schicken. Die verbrennenden Moleküle streuen die Lichtpartikel in alle Richtungen. Ein Teil wird aufgezeichnet, sodass sich Rückschlüsse auf den Verbrennungsprozess ziehen lassen.

Die endoskopischen Sonden bestehen aus dünnen Glasfasern, die Laserblitze in die Verbrennungskammer schicken. Die verbrennenden Moleküle streuen die Lichtpartikel in alle Richtungen. Ein Teil wird aufgezeichnet, sodass sich Rückschlüsse auf den Verbrennungsprozess ziehen lassen.

Foto: DLR

Die DLR-Wissenschaftler interessieren sich auch für die Strömung der bis zu 2000 Grad Celsius heißen Verbrennungsgase am Übergang zu den Turbinenschaufeln. Die Konstrukteure wollen erreichen, dass die Gase möglichst ungehindert, also ohne Turbulenzen an ihren Arbeitsplatz gelangen.

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