Die unglaubliche Reise im Energiespar-Flieger

31. März 2009, 20:35
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Forscher der TU Graz wollen Spritverbrauch und Stickoxidausstoß von Flugzeugen senken - Dabei nehmen sie vor allem die Luftzerstäuberdüsen der Triebwerke unter die Lupe

Der Wirkungsgrad einer Flugzeugturbine kann sich positiv auf die Umwelt auswirken: Wird er nämlich um nur ein Prozent erhöht, so können pro Jahr und Flugzeug mehrere Millionen Liter Treibstoff eingespart werden. Grazer Forscher versuchen daher, die Funktionsweise von Triebwerken im Detail zu analysieren und Verbesserungspotenziale auszuloten.

Eine zentrale Rolle dabei spielen Luftzerstäuberdüsen, die als Einspritzmodule nicht nur in modernen Flugzeugtriebwerken, sondern auch in Verbrennungsmotoren, Trocknungsanlagen der Pharma- und Nahrungsmittelindustrie oder bei der Herstellung von Werkstoffbeschichtungen eingesetzt werden. Eine bislang ungelöste Frage bei all diesen Anwendungen von Luftzerstäuberdüsen ist das Strömungsverhalten beim Einspritzen des Kraftstoffs in die Gasturbinenbrennkammer.

"Je besser die Mischung aus Luft und verdampftem Kraftstoff ist, desto effizienter und umweltfreundlicher funktioniert auch die Turbine", sagt Fabrice Giuliani, der am Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik der TU Graz eine eigene Forschungsgruppe zu diesem Thema leitet. Im aktuellen, vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt soll geklärt werden, wie der Einspritzprozess so stabil wie möglich gehalten werden kann. "Die Mischung aus Luft und Kerosin produziert eine bis zu 2000 Grad Celsius heiße Flamme, die in der Brennkammer möglichst exakt positioniert werden sollte, um das Material nicht zu schädigen", erklärt Giuliani. "Um eine relativ umweltfreundliche Flamme zu erzeugen, muss man jedoch im 'mageren' Bereich arbeiten, also das Verhältnis Luft zu Kerosin möglichst hoch halten." Eine solche Flamme produziert beträchtlich weniger Stickoxide, ist jedoch anfälliger für die verschiedensten Einflüsse und damit instabiler.

Wie soll nun die gewünschte Stabilität erzielt werden? "Wir gehen davon aus, dass die Transporteffekte der Partikel, in die der Kraftstoff zerstäubt wird, eine zentrale Rolle bei der Einspritzung spielen", so Giuliani. "Ist die Luftströmung zwischen Injektor und Flamme instabil, bilden sich Pakete von Tropfen. Gelangen sie zur Flamme, bewegt sich diese, wird also instabil."

Keine triviale Erkenntnis, konnte doch die Physik dieser Flammenbewegung von der Wissenschaft bislang nicht ausreichend erklärt werden. Um die gerade noch akzeptable Dichte der Tropfenpakete zu definieren, haben die Forscher mittels Simulation ein entsprechendes Transportmodell entwickelt: "Damit können wir die Effekte der mittransportierten pulsierten Luft erfassen und Möglichkeiten entwickeln, wie man dieser Instabilität durch die Einspritzung gegensteuern kann", erklärt Fabrice Giuliani. Da die Einspritzung unter sehr hohen Drücken zwischen 10 und 40 bar sowie bei einer Temperatur über 500 Grad Celsius erfolgen muss, sind die nötigen Laborexperimente relativ aufwändig.

Fragen der Anwendung

Während an der TU Graz solcherart Grundlagenforschung betrieben wird, konzentriert sich der deutsche Kooperationspartner DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in Köln auf die damit verbundenen anwendungsorientierten Fragen. Parallel dazu arbeitet das Grazer Team im Rahmen eines EU-Projekts auch mit dem französischen Forschungslabor für Luft- und Raumfahrt (Onera) zusammen, das zurzeit eine spezielle Technik zur Messung der Kerosinkonzentration in der Luft entwickelt. Eine Messtechnik, die letztlich auch in das FWF-Projekt einfließen wird.

Durch die hohen Spritpreise sind Kraftstoff-Injektion und Strömungsstabilität in den letzten Jahren weltweit zu einem stark beforschten Feld geworden. Was Fabrice Giuliani und sein Team jedoch von nahezu allen anderen Forschergruppen unterscheidet, ist das Experimentieren unter sehr realitätsnahen Bedingungen: "Während die meisten Experimente unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, arbeiten wir mit Kerosin unter hohem Druck und bei sehr hohen Temperaturen", führt der Wissenschafter aus.

Dafür ist natürlich eine entsprechende, nicht wirklich billige Ausrüstung erforderlich. Dass die Technische Universität in Graz diese zur Verfügung stellen kann, dürfte sich im internationalen Forschungswettbewerb langfristig bezahlt machen, sagt Giuliani. (Doris Griesser/DER STANDARD, Printausgabe, 01.04.2009)

  • Der Wirkungsgrad von Flugzeugturbinen muss nur um ein Prozent erhöht werden, schon spart man mehrere Millionen Liter Treibstoff.
    foto: der standard/christian fischer

    Der Wirkungsgrad von Flugzeugturbinen muss nur um ein Prozent erhöht werden, schon spart man mehrere Millionen Liter Treibstoff.

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