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TU Berlin

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Forschung

Blick in die Labore der TU Berlin

Detonationen in Überschallgeschwindigkeit

Im Energielabor forscht ein internationales Team an der Minderung von Schadstoffemissionen in Triebwerken

Montage der verschiedenen Komponenten der Brennkammer. Die Brennkammer besteht aus einem Ringraum zwischen zwei Stahlzylindern
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Vor den Türen des 2013 errichteten Energielabors passiert es nicht selten, dass Vorbeilaufende zusammenzucken. Erschütterungen und laute Detonationen sind der Grund. Die Türen bewegen sich, die Lüftungen scheppern, und ein Knall drängt durch das Gebäude nach außen. In dem deutschlandweit einzigartigen Versuchsstand können kontinuierlich umlaufende Detonationswellen kontrolliert untersucht werden. Richard Blümner, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik an der Fakultät V Verkehrs- und Maschinensysteme, beschreibt diese Herausforderung so: „Allein schon der Name ‚Detonationswelle‘ ist für einen Ingenieur ein aufregendes Thema. Diese sehr energiereichen Prozesse muss man erst mal bändigen.“

Der Rotating Detonation Combustor mit Hochgeschwindigkeitskamera
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Die Detonationswellen werden in einem sogenannten Rotating Detonation Combustor (RDC), einem Brenner mit rotierender De-tonationswelle, erzeugt. Die druckerhöhende Verbrennung in einer Detonationswelle ist eine vielversprechende Möglichkeit, den Wirkungsgrad von Verbrennungssystemen in Kraftwerken, Flugzeugen und Raketen zu steigern und dabei Schadstoffemissionen zu senken. Je höher das Druckniveau während der Verbrennung, desto höher der Wirkungsgrad, und besonders viel Druck kann durch eine Detonationswelle erzeugt werden.

Die Steuerung und Überwachung des Prüftstands erfolgt aus der Messwarte mit eigens entwickelter Software
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Sie breitet sich in Überschallgeschwindigkeit von ungefähr zwei Kilometern pro Se-kunde aus und ist damit rund sechsfach schneller als der Schall. „Das Tolle an diesem Forschungsthema ist, dass es sich um ein sehr innovatives Konzept handelt. Die Nutzbarmachung von Detonationswellen in technischen Anlagen ist eine sehr junge Wis-senschaft. Man forscht daran erst seit zwei bis drei Jahrzehnten. Das ist für ein technisches System eine sehr kurze Zeit“, so Blümner. Projektleiter Dr. Myles Bohon ergänzt: „Wir betreiben Grundlagenforschung, und ich bin gespannt, wie sich die Techno-logie in Zukunft entwickelt. Wir müssen mehrere Herausforderungen bewältigen, zum Beispiel die extrem heißen Temperaturen in der Flamme. Wir möchten erreichen, dass die Brennkammer nachhaltig und langfristig mit einer verbesserten Leistung arbeiten kann.“

Bei Alarm wird die Anlage automatisch abgeschaltet
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Das RDC-Projekt ist am Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik unter der Leitung von Prof. Oliver Paschereit angesiedelt und wird seit 2016 durch die Einstein Stiftung Berlin gefördert. Im Laufe des Projekts ist es zudem gelungen, in das Luftfahrtforschungsprogramm der Bundesregierung aufgenommen zu werden. Geleitet wird die Arbeitsgruppe neben Dr. Myles Bohon von den Professoren Ephraim Gutmark und Panagiotis Stathopoulos. Insgesamt ist die Arbeitsgruppe sehr international aufgestellt und vereint Forschende aus Rumänien, Deutschland, USA und Iran. Mit europäischen Partnern aus Frankreich und Italien werden in Zukunft Kooperationen angestrebt.

Alle Beteiligten sind sich einig: Sie wollen ein tatsächliches Produkt entwickeln. Der Klimawandel fordert in Zukunft eine möglichst effiziente Nutzung von Brennstoffen. Auch wenn die Technologie möglicherweise erst in 20 Jahren ihren Einsatz in Flugzeugen und Kraftwerken erfährt, der Grundstein dafür soll an der TU Berlin gelegt werden.

www.tu-berlin.de/?196992
Instagram-Takeover: www.instagram.com/tu_berlin/

Das Team

Prof. Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit, Leiter des Fach­gebiets Experimentelle ­Strömungsmechanik

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Der Rotating Detonation Combustor (RDC) oder auch Brenner mit rotierender Detonationswelle ist für unser Institut ein sehr wichtiges Projekt. Das Konzept ist hochinnovativ und wird eine völlig neue Technologie in die Gasturbine bringen. Wir möchten Energie zu niedrigen Preisen bei ultraniedrigen Schadstoffemissionen anbieten und auch Flugzeugtriebwerke mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Emissionen bauen können.

Myles Bohon, Postdoc am Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik und Leiter der Arbeitsgruppe Rotating Detonation Combustor

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Die internationale Forschungscommunity hat ein großes Interesse, die druckerhöhende Verbrennung weiterzuentwickeln. Der Vorteil an den TU-Laborbedingungen ist, dass wir die Technologie von Grund auf neu gestalten und auf transdisziplinäre Erfahrungen zurückgreifen können. Das Wissen unserer internationalen Kolleginnen und Kollegen hilft uns entscheidend weiter. Kürzlich hatten wir ein Treffen mit sieben europäischen Organisationen, aus dem sich Förderungen für weitere Doktorandinnen und Doktoranden ergeben.

Prof. Ephraim Gutmark, PhD/DSc, Einstein Visiting Fellow, Professor für Aerospace Engineering & Engineering Mechanics an der University of Cincinnati

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Mit Oliver Paschereit arbeite ich bereits seit über 20 Jahren zusammen. Ich beschäftige mich mit der druckerhöhenden Verbrennung in den USA, seit 15 Jahren. Auf Basis dieser Erfahrungen konnten wir bei der Einstein Stiftung Berlin einen Antrag einreichen und diese Technologien in die deutsche Hauptstadt bringen. Es ist mir eine große Freude, mit Studierenden, Promovierenden und Postdocs der TU Berlin zusammenzuarbeiten. Alle zwei Wochen besprechen wir in einer Video-Konferenz unsere Projektfortschritte. Mit dem neu gebauten Labor in Berlin haben wir einen hochmodernen und effizienten Forschungsstandort gewonnen.

Eric Bach, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Experimentelle Strömungs­mechanik

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Ich interessiere mich für Verbrennungsforschung im Allgemeinen und die Detonationsforschung im Besonderen. Das Thema ist sehr interdisziplinär mit physikalischen und chemischen Fragestellungen. Ich möchte mit meinen Forschungen einen guten Übergang zwischen Brennkammer und Turbine finden. Aus einer RDC-Brennkammer treten Strömungen mit Überschallgeschwindigkeit aus, die außerdem sehr hochfrequente Fluktuationen aufweisen und ihre Eigenschaften sehr oft verändern. Das ist eine große Herausforderung. Denn die Konditionierung dieser Strömungen für eine Turbine erfordert eine geeignete Übergangsgeometrie, und diese möchte ich charakterisieren.

Richard Blümner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik

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Der Klimawandel stellt uns alle vor besondere Herausforderungen, auch uns Verbrennungsingenieure: Wir müssen Emissionen reduzieren. Die Nutzbarmachung von Detonationswellen hat den großen Vorteil, dass man den Brennstoff effizienter nutzen kann – weniger Brennstoff bei gleicher Leistung wie in konventionellen Systemen. Mit diesem Forschungsprojekt können wir einen großen Teil dazu beitragen.

Aufgezeichnet von Anna Groh, "TU intern" 25. Juni 2018

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