In Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart, gefördert durch den InnovationCampus Future Mobility (ICM) im Rahmen eines Bottom-Up-Stipendiums, evaluieren wir die Machbarkeit innovativer Einspritzkonzepte für flüssige CO2-neutrale Kraftstoffe (z. B. Ammoniak, SAF), die mittels additiver Fertigung (PBF/LB-M) hergestellt werden können.
Unser Forschungsschwerpunkt liegt speziell auf Airblast-Designs. Die Funktionalität der Kraftstoffeinspritzung wird durch stochastisch verteilte Defekte in der Komponente erreicht, also medienpermeable Strukturen. Daher ist eine gezielte Geometrieoptimierung mit CAD nicht möglich. Stattdessen müssen die Prozessparameter des PBF/LB-M-Verfahrens wie Laserenergie, Scangeschwindigkeit, Scanrichtung und Hatch-Distanz mit den Optimierungszielen, nämlich Tropfengröße und Flüssigkeitsverteilungsgleichmäßigkeit, korreliert werden, was einen nichtlinearen und komplexen Parameterraum schafft.
Unser Ziel ist es, einen ganzheitlichen Optimierungsprozess zu entwickeln, der die AM-Prozessparameter direkt mit den gewünschten Ergebnissen korreliert. Die aktuellen Forschungsaufgaben umfassen:
CAD-Design innovativer Flüssigkraftstoffinjektoren, optimiert für die additive Fertigung.
Die Dekarbonisierung von Gasturbinen mit CO2-neutralen Kraftstoffen (z. B. Wasserstoff, Ammoniak, Sustainable Aviation Fuels) ist entscheidend für zukünftige Energiesysteme. Während die Flexibilität bei gasförmigen Brennstoffen in hochimpulsigen, strahlstabilisierten Brennkammern bereits nachgewiesen ist, stellt die Übertragung auf flüssige Brennstoffe insbesondere in kompakten Systemen aufgrund von Herausforderungen bei Zerstäubung und Mischung eine Hürde dar.
Unser additiv gefertigter Film-Layer-Airblast-Injektor überwindet diese Einschränkungen. Zur Charakterisierung der Sprayeigenschaften setzen wir eine Reihe laserbasierter Diagnostiken ein – von Shadowgraphie über Structured Laser Induced Planar Imaging (SLIPI) bis hin zur Phasendoppler-Interferometrie. Durch die Zufuhr von flüssigem Brennstoff über innovative AM-Mikrokanäle mit einer Schlitzbreite von 50 µm entstehen dünne Flüssigkeitsfilme. Deren aerodynamisch induzierte Zerstäubung erzeugt extrem feine Tropfen (< 25 µm), die eine schnelle Verdampfung und homogene Durchmischung begünstigen. Das Injektorkonzept verbessert Flammenstabilität, Symmetrie und reduziert nicht-CO2-Emissionen.
Experimentelle Untersuchungen mit AM-gefertigten Injektoren.
Der gesamte Prozess, der additive Fertigung, standardisierte experimentelle Tests und KI-gesteuerte Optimierung kombiniert, definiert einen "Hybrid Twin" (analog zu digitalen Zwillingen), der die Entwicklung entsprechender Technologien erheblich beschleunigen kann. Dieser innovative Herstellungsprozess kann somit die Zuverlässigkeit erhöhen und die Produktionskosten deutlich senken.
Projektlaufzeit
August 1, 2023 – Juli 30, 2024 (voraussichtlich)
Weitere Informationen / Teilnehmen
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