Forscher 3D-drucken Einspritzsystem für saubere Multikraftstoff-Gasturbinen

Ein Forschungsteam des Instituts für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrtantriebe (IVLR) der Universität Stuttgart hat eine Einspritzdüse für Gasturbinen entwickelt, die direkt mittels eines 3D-Druckers ausgedruckt werden kann und funktionsfähig ist. Der Gasturbinen-Injektor ist in der Lage, verschiedene Brennstoffe wie Wasserstoff, Kerosin, Methanol, Erdgas und E-Fuels so einzuspritzen, dass sie mit weniger Emissionen verbrannt werden. Die Herstellung des Injektors sei dabei preiswerter als bei herkömmlichen Verfahren.

Bereits heute werden Teile von Gasturbinen mithilfe eines 3D-Druckers erstellt. Auf die Injektionssysteme zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennstoffkammer traf dies jedoch bisher nicht zu. Entsprechend aufwendig und teuer ist deren Fertigung.

Problem der optimalen Verbrennung

Es gibt aber noch ein weiteres Problem: Damit bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Gase und Flüssigkeiten möglichst wenig Ruß und Stickoxide freigesetzt werden, muss das Einspritzsystem einen möglichst feinen Brennstoffnebel aus einem homogenen Gemisch aus Brennstoff und Luft erzeugen. Denn Ruß und Stickoxide schädigen die Gesundheit und beeinträchtigen die Umwelt. Die Schwierigkeit insbesondere bei kleinen Gasturbinen besteht darin, dass 3D-gedruckte Injektoren zu raue Oberflächen aufweisen, um den benötigten feinen Brennstoffnebel homogen genug zu erzeugen.

Beim 3D-Druck der Einspritzbauteile wird das „Powder Bed Fusion of Metal“-Verfahren angewendet. Auf ein Druckbett wird zunächst eine dünne Schicht Metallpulver ausgebracht, danach von einem Laser geschmolzen und muss dann abkühlen. Danach erfolgt der Auftrag einer weiteren Schicht, die ebenfalls geschmolzen wird, abkühlt und so fort. Aus den einzelnen Schichten ergibt sich dann das Bauteil inklusive Wände, Kammern und Verbindungsgänge.

Auch die 3D-gedruckten Bauteile des Stuttgarter Forschungsteams sind nicht ganz glatt. Die Wissenschaftler haben aber das Einspritzsystem so konzipiert, dass es trotz Komponenten mit rauer Oberfläche funktioniert. Sie kombinierten dazu die Möglichkeiten der additiven Fertigung mit einem Funktionsprinzip von Flugzeugturbinen. Dieses Konzept miniaturisierten die Forscher, um die Injektoren auch in kompakten Gasturbinen verwenden zu können.

Verbrennung verschiedener Brennstoffe

In Laborversuchen konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sogar verschiedene Brennstoffe mit dem 3D-gedruckten Einspritzsystem sauber verbrennen. Das funktioniert deshalb, weil die Einspritzdüse so aufgebaut ist, dass eine ideale Gemischbildung für unterschiedliche gasförmige und flüssige Brennstoffe erfolgt. Das lässt einen breiten Anwendungsbereich zu. Verbrannt werden kann dann der Brennstoff, der jeweils gerade vorliegt. Auch ältere Gasturbinen sollen sich mit der Technik umrüsten lassen, heißt es.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Herstellungsparameter für den 3D-Druck sowie die Düsengeometrie zu optimieren. Dann soll in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt in Stuttgart ein Einspritzsystem gebaut werden, das praxisnah mit verschiedenen Brennstoffen erprobt werden soll. Ziel der Forscher ist es, dass die unterschiedlichen Kraftstoffe möglichst sauber bei hoher Leistungsdichte verbrannt werden.