Das Konzept der Composite Cycle Engine (CCE) hat in diversen Untersuchungen signifikantes Potenzial zur Effizienzsteigerung von Flugtriebwerken auch gegenüber zukünftig erwarteter Gasturbinentechnologie gezeigt. Es basiert auf der Integration von Kolbenmaschinen im Kerntriebwerk moderner Turbofanantriebe und ermöglicht extreme Nebenstromverhältnisse (>30). Die kerosinbetriebene CCE zeigte jedoch Nachteile durch erhöhte Stickoxidemissionen und höheres Antriebsgewicht. Mit dem Wechsel des Brennstoffes hin zu Wasserstoff ergeben sich aufgrund der abweichenden Verbrennungs- und Produktgaseigenschaften neue Ansatzpunkte, dem entgegenzuwirken. Erste Schritte zur Bewertung der H2-CCE wurden mit der Umstellung und Validierung des bestehenden Leistungsrechnungsprogrammes für Kolbenmaschinen auf den Wasserstoffbetrieb bereits durchgeführt.
Eine initiale Analyse der H2-Kolbenmaschine deutet auf einen erhöhten Wärmeverlust gegenüber dem Kerosinbetrieb hin, welcher sich unter anderem auf fehlende Rußbildung bei der H2-Verbrennung zurückführen lässt. Die Verlustwärme der Kolbenmaschine kann im CCE-Konzept jedoch teilweise vom Kernmassenstrom aufgenommen werden, wodurch negative Auswirkungen auf die Antriebseffizienz begrenzt werden. Andererseits bieten die Wasserstoffverbrennungsgase eine höhere spezifische Arbeitsfähigkeit, wodurch Größe und Gewicht der Kolbenkomponenten reduziert werden können. Zudem ist eine Optimierung der Auslegungsparameter der H2-Kolbenmaschine notwendig, wie eine Studie zu den Ventilsteuerzeiten zeigt. Eine umfassende Untersuchung des H2-CCE-Konzeptes ist daher von großem Interesse für die weitere Bewertung der CCE-Technologie.
Methodenentwicklung zur Bewertung wasserstoffbetriebener CCEs
Der Bewertungsprozess von Composite Cycle Engines erfolgt in mehreren Schritten, angefangen mit einer zeitaufgelösten 0D-Kolbenzyklusrechnung bis hin zur Evaluierung des CCE-Antriebes für konkrete Flugzeuganwendungen.
Optimierungsstudie für Ventilsteuerzeiten einer H2-Kolbenmaschine
Abhängigkeiten ausgewählter Leistungsparameter (Leistung, Effizienz, Spitzendruck, Wärmeverluste) der H2-Kolbenmaschine bei Variation der Ventilsteuerzeiten (graues Quadrat: Referenzwert, gestrichelte Line: vorteilhafte Ventilsteuerzeiten)