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Emissionsreduzierende Brennkammerkonzepte für Luftfahrtantriebe

Erstellt am: 07.02.2004 | Stand des Wissens: 27.02.2024
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Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Die Brennkammer hat die Aufgabe, die Temperatur des Arbeitsmediums durch die Verbrennung von Brennstoff auf die gewünschte Turbineneintrittstemperatur zu erhöhen. Die damit verbundenen Anforderungen führen bei der Umsetzung zu verschiedenen Schwierigkeiten. Brennkammerkonzepte beinhalten eine Veränderung der Brennstoff- und Luftaufbereitung mit dem Ziel, die Emission der Stickoxide zu reduzieren. Durch Nachrüstung mit entsprechenden Systemen bei bereits existierenden Triebwerken kann eine Verringerung des Schadstoffausstoßes von 10 bis 20 Prozent erreicht werden. Bei den gegenwärtig konstruierten Brennkammerkonzepten kann zwischen den Low Stickoxid (NOx)-Konzepten und den Ultra Low NOx -Konzepten unterschieden werden.

Bei den Low NOx -Konzepten wird mit einer Stufung der Brennstoffeinspritzung gearbeitet. Entsprechend dem jeweiligen Lastzustand des Triebwerks werden nur eine oder beide Zonen zugeschaltet. Ziel dieses Verfahrens ist es, die Triebwerke in allen Lastzuständen im sog. Magerbetrieb ohne Vorvermischung zu fahren. Um eine solche Form der Verbrennung zu erhalten, muss ein selbständiges, digitales elektronisches Triebwerksregelungssystem (Full Authority Digital Electronic Control - FADEC) vorhanden sein. Durch diese Verfahren kann der Schadstoffausstoß bis zu 30 Prozent verringert werden. Einige der Low NOx -Konzepte haben bezüglich verschiedener Triebwerke Serienreife erreicht (z.B. CFM56-5B, IAE V2500). [Wulf01; WuHo97; Rach98]

Ultra Low NOx -Konzepte werden für den Einsatz sowohl im Unter- wie Überschallflug (High Speed Civil Transport - HSCT) untersucht. Es wird eine Reduktion der Emissionen von 70 bis 85 Prozent erwartet. Bei Ultra Low NOx-Konzepten existieren zwei Ansätze:
  • die Fett-Mager-Stufungen (Rich Burn/Quick Mix/Lean Burn RQL)
  • die Magerstufungen mit Vorvermischung und -verdampfung (Lean/ Premixed/Prevapourized, LPP)
In vielen Regionen gelten strenge Vorschriften zur Reduzierung von Umweltbelastungen durch Schadstoffe, was die Zukunftsfähigkeit von Gasturbinen beeinträchtigen könnte. Die wirtschaftliche Nutzung aller verfügbaren Energieträger erfordert die Verbrennung einer breiten Palette von Brennstoffen mit teils ungünstigen Eigenschaften. Zukünftige Brennkammern müssen vielseitig einsetzbar sein. Die bisherigen Ausführungsformen der Brennkammern stoßen an ihre Grenzen, und neue Konzepte sind notwendig. Diese Notwendigkeit hat zu einer Wiederbelebung der Brennkammerforschung geführt. Dabei werden neue Konzepte für schadstoffarme Brennkammern sowie Möglichkeiten der Gemischaufbereitung und Flammrohrkühlung zum Beispiel erforscht. Ein Konzept, welches zum Beispiel eine geringe NOx-Bildung in Brennkammern verspricht, ist die magere abgehobene Flamme wie das Forschungsprojekt CHAiRLIFT zeigt.
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Maßnahmen zur Minderung von Luftverkehrsschadstoffen (Stand des Wissens: 28.02.2024)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?34402
Literatur
[Rach98] Rachner, Michael Die Stoffeigenschaften von Kerosin Jet A-1, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Abteilung Unternehmensorganisation und -information 51170 Köln, 1998/03, ISBN/ISSN ISSN 1434-8462
[WuHo97] Wulff, Andreas, Hourmouziadis, Jean, Prof. Dr.-Ing. Technology review of aeroengine pollutant emissions, veröffentlicht in Aerospace Science and Technology, Ausgabe/Auflage 1997, No. 8, Elsevier / Paris, 1997/08, ISBN/ISSN ISSN 1270-9638
[Wulf01] Wulff, Andreas Entwicklung eines Verbrennungsmodells für Brennkammern von Fluggasturbinen, TU Berlin / Berlin, 2001/07
Weiterführende Literatur
[MTU99] Hohmann, Dr. , Schubert, Zarzalis, Nikolaos, Prof. Dr. –Ing. NOx-Reduktion durch Homogenisierung des Gemisches in Brennkammern, MTU /München, 1999/11/05
[Stat148] ICAO Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP) ICAO Aircraft Engine Exhaust Emissions DataBank, 2015/02
Glossar
NOx
= Stickoxide. Ist die Sammelbezeichnung für die Oxide des Stickstoffs. Die wichtigsten Stickoxide sind Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid. Es sind gasförmige Verbindungen, die sich nur wenig in Wasser lösen.
Die wichtigsten Stickoxid-Quellen sind natürliche Vorgänge, wie zum Beispiel mikrobiologische Umsetzungen im Boden, sowie Verbrennungsvorgänge bei Kraftwerken, Kraftfahrzeugen und industrielle Hochtemperaturprozesse, bei denen aus dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft Stickoxide entstehen. Stickstoffdioxid ist ein Reizstoff, der die Schleimhäute von Augen, Nase, Rachen und des Atmungstraktes beeinträchtigt.
Palette
Eine Palette ist ein Ladungsträger, auf dem eine größere Anzahl von Transportgütern zu gleichartigen (unifizierten) Ladungseinheiten zusammengefasst werden kann. Durch Normierung von Bauart und Größe jeweils verwendeter Paletten sowie korrespondierender Transport-, Umschlags- oder Lagersysteme lassen sich anfallende logistische Prozesse sowohl in zeitlicher als auch monetärer Hinsicht rationalisieren.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?74251

Gedruckt am Donnerstag, 30. Mai 2024 08:45:13