Steigende Kerosinpreise und strengere Umweltschutzvorschriften erfordern eine Optimierung von Flugzeugturbinen. An der TU Graz wurden in den letzten Jahren die Grundlagen für effizientere Turbinen geschaffen.
Die Luftfahrt muss unzähligen Anforderungen genügen: neben Sicherheit, Komfort und Zeit werden auch die Faktoren Umweltbelastung und Wirtschaftlichkeit immer wichtiger. Vor allem deshalb, weil Kerosin immer teurer wird (und sehr viele Fluglinien derzeit sogar Verluste schreiben). Obwohl Alternativen dazu gesucht werden, wird Kerosin als Kraftstoff mit der höchsten Energiedichte noch einige Zeit die wichtigste „Triebwerksnahrung“ bleiben. „Es gilt daher, die Effizienz von Flugzeugturbinen zu erhöhen“, erklärt Fabrice Giuliani. Der in Frankreich geborene Wissenschaftler hat von 2004 bis 2011 am Institut für Thermische Turbomaschinen der TU Graz geforscht und sich nun mit dem Unternehmen „Combustion Bay One“ selbstständig gemacht. Angesiedelt ist diese Firma im Science Park Graz, einem der acht akademischen Gründerzentren in Österreich, die aus dem AplusB-Programm der FFG gefördert werden – erst kürzlich hat die Politik weitere 13Millionen Euro für die nächsten fünf Jahre freigegeben.
Zur Effizienzsteigerung von Flugzeugtriebwerken verfolgt Giuliani vor allem einen Weg: die Optimierung der Verbrennung. „Indem man die Größe und die Form der Flamme kontrolliert, kontrolliert man auch ihre Stabilität und somit die Sicherheit sowie den Emissionswert eines Triebwerks“, erläutert er. Bei einem heute üblicherweise in Passagierjets eingesetzten Strahlstromtriebwerk saugt ein Gebläse-Fan Luft an.
In einem Kompressor verdichten unterschiedlich schnell drehende Schaufelräder die Luft immer stärker und leiten sie in die Brennkammer, wo die komprimierte, heiße Luft mit Kerosin vermischt und entzündet wird. Die entstehenden Verbrennungsgase werden von der Turbine in Drehbewegung umgesetzt. Anschließend werden sie durch einen Bypass geleitet, der als eine Art Polster zwischen Gas und Umgebungsluft das Triebwerk leiser macht, bevor der Strahl mit einer Geschwindigkeit von knapp unter einem Mach – also der Schallgeschwindigkeit – aus der Düse tritt.
„Durch eine präzise Steuerung der Verbrennungsdynamik können die zwei Stufen der Brennkammer – eine für Voll-Last für genügend Startschub und eine für Teil-Last – zusammengelegt werden“, so Giuliani. Auch die Düse werde dadurch kompakter – was neben mehreren hundert Kilo Materialgewicht auch Treibstoff spare und längere Flugstrecken ermögliche. Bei einem Mittelstreckenflug seien das immerhin 500 Liter weniger Kerosin.
Wie kann man nun die Größe und die Form der Flamme beeinflussen? Giuliani: „Vereinfacht gesagt, erzeugt ein Pulsator bis zu 175-mal pro Sekunde eine Flamme im mageren Bereich.“ Das hat mehrere wünschenswerte Folgen: Zum einen wird das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis dadurch kleiner und die Energiedichte höher, zum anderen erzeugt eine kürzere Flamme auch weniger Stickoxide. Da sich der durch die Pulsation injizierte Treibstoff besser mit der Umgebungsluft vermischt, wird zudem weniger CO2 produziert.
Diesen Vorteilen einer „mageren“ Flamme (mit einen höheren Luft- als Treibstoffanteil) steht aber gravierende Nachteile gegenüber: Die Verbrennung wird instabiler, es kommt zu starker Lärmentwicklung und zu Vibrationen, die eine hohe Materialermüdung zur Folge haben. Um das zu verhindern, muss der Verbrennungsvorgang exakt gesteuert werden. Die Grundlage dafür lieferten jahrelange Forschungsarbeiten an der TU Graz – etwa in FWF- und EU-Projekten, in denen die Mechanismen bei der Verbrennung analysiert worden sind. Dieses Wissen bildet nun die Basis für Verbesserungen.
Wann die neue Technologie wortwörtlich Flügel bekommen wird, kann Giuliani noch nicht genau sagen: „Kein anderer Bereich stellt so hohe Sicherheitsanforderungen, weshalb Entwicklungszyklen meist zehn bis 15 Jahre umfassen“, sagt der Forscher.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 20.05.2012)