Ein Brenner mit inneren Kanälen, verzweigt wie die Adern eines Blattes, lässt sich nicht fräsen. Mit 3D-Druck aus Metall wird er möglich, und mit ihm Brennkammern, die kleiner sind und mehr Brennstoffe vertragen.
Brenner und Brennkammern kleiner Gasturbinen müssen Brennstoff und Luft auf engem Raum mischen und gleichzeitig gekühlt werden. Mit additiver Fertigung lassen sich Kanäle, Gitter und Düsen bauen, die sich fräsen oder gießen nicht herstellen lassen. Mehrere Studien zeigen, dass das messbare Vorteile bringt.
Weniger Emissionen durch neue Geometrien
An der University of Bath wurden Brennkammern für Mikrogasturbinen mit Merkmalen entwickelt, die nur additiv herstellbar sind. Im Versuch sanken die Stickoxide um bis zu 75 Prozent und das Kohlenmonoxid um bis zu 40 Prozent (Adamou u. a., 2021).
Tragen und kühlen in einem Bauteil
Auf der ASME Turbo Expo 2024 wurde ein modularer Micromixer-Brenner für Wasserstoff aus einer Nickellegierung vorgestellt. Eine innere Gitterstruktur trägt das Bauteil und kühlt es zugleich. Solche Strukturen sind nur mit 3D-Druck möglich.
Skalieren über die Zahl der Düsen
Im Schwerpunktprogramm SPP 2419 der Deutschen Forschungsgemeinschaft entwickeln die FAU Erlangen-Nürnberg und die TU Darmstadt additiv gefertigte Mehrdüsenbrenner für Wasserstoff und Wasserstoff-Methan-Gemische. Die Leistung lässt sich über die Zahl der Düsen anpassen. Gedruckte Wasserstoffbrenner sind damit auch in Deutschland ein Forschungsschwerpunkt.
Was dabei zu beachten ist
Gedruckte Bauteile brauchen eine eigene Auslegung: Werkstoff, Bauraumausrichtung, Stützstrukturen, Oberflächenrauheit in den Kanälen und die Nachbearbeitung beeinflussen Strömung und Lebensdauer. Deshalb gehören Simulation und Versuch auf dem Verbrennungsprüfstand zusammen.
Vom Drucker auf den Prüfstand
Der Druck allein macht noch keinen guten Brenner. Den Unterschied machen Ingenieurinnen und Ingenieure, die Strömung und Festigkeit rechnen, den Bauprozess verstehen und das Ergebnis im Feuer prüfen. Dass Forschungsgruppen in Erlangen und Darmstadt genau daran arbeiten, zeigt, wie stark Deutschland auf diesem Feld ist.
ClinX Energy Systems fertigt viele Brenner additiv und erprobt sie vom Einzelbrenner bis zur ganzen Brennkammer. Mehr zu unseren Brennkammern
Quellen
- Adamou, Copeland u. a. (2021): Design, simulation and validation of additively manufactured high-temperature combustion chambers for micro gas turbines. University of Bath
- Hanwha Aerospace, Seoul National University (2024): Development of a Novel Hydrogen Burner Using Additive Manufacturing. ASME Turbo Expo
- DFG SPP 2419, HyCAM Projekt 09: Mesoscale burner array for hydrogen-rich fuels