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Forscher der Universität Stuttgart haben ein Einspritzsystem für kompakte Gasturbinen entwickelt, das im additiven Fertigungsverfahren hergestellt wird. Die Injektoren ermöglichen die saubere Verbrennung von Wasserstoff, Methanol, eFuels und herkömmlichen Brennstoffen in einer einzigen Konstruktion. Damit adressieren die Stuttgarter ein Problem, das den 3D-Druck bei Gasturbinen-Injektoren bislang blockiert hat.
Warum Injektoren das Nadelöhr bei additiv gefertigten Gasturbinen sind
Gasturbinen werden heute bereits vielfach mit additiv gefertigten Komponenten gebaut. Brennkammern entstehen in vielen Fällen schon im Powder-Bed-Fusion-Verfahren: Dabei wird Metallpulver schichtweise aufgetragen und per Laser lokal aufgeschmolzen. So entstehen komplexe Strukturen mit Hohlräumen und Verbindungskanälen.
Für Einspritzsysteme galt das jedoch kaum. Injektoren müssen den Kraftstoff als feinen, homogenen Nebel in die Brennkammer abgeben. Nur so lässt sich die Bildung von Ruß und Stickoxiden wirksam begrenzen. Beide Substanzklassen entstehen vor allem bei schlechter Vermischung von Brennstoff und Luft.
Das Problem: Die Oberflächen additiv gefertigter Metallteile sind nicht glatt. Bei kleinsten Öffnungen, wie sie Einspritzdüsen erfordern, führt diese Rauheit zu unkontrollierten Strömungsverhältnissen. Definierte Kraftstoffmengen lassen sich so nicht zuverlässig dosieren. Das machte den 3D-Druck von Injektoren für kleine Turbinen bislang weitgehend unpraktikabel.
Stuttgarter Lösung: Miniaturisiertes Prinzip aus Flugzeugturbinen
Das Team um Dr. Fabian Hampp vom Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrt der Universität Stuttgart hat gemeinsam mit Prof. Dr. Hans-Christian Möhring vom dortigen Institut für Werkzeugmaschinen sowie Dr. Oliver Lammel vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt einen anderen Weg gewählt. Die Forscher haben ein Injektorkonzept entwickelt, das trotz der typischen Oberflächenrauheit gedruckter Bauteile funktioniert.
Dazu haben sie ein Funktionsprinzip, das aus großen Flugzeugtriebwerken bekannt ist, stark miniaturisiert und in ein neues Injektordesign überführt. Dieses Prinzip lässt sich so auslegen, dass die Rauheit der gedruckten Oberflächen die Funktion nicht beeinträchtigt. Im Labor haben die Stuttgarter damit nach eigenen Angaben sehr schadstoffarme Verbrennungsvorgänge erzielt.
Projekt AMFlexInj erprobt das Verfahren für die Serienanwendung
Die Entwicklung läuft im Transferprojekt AMFlexInj, das für „Additiv gefertigte Mikro-Injektionskonzepte als Enabler für brennstoffflexible und emissionsarme Verbrennungssysteme“ steht. Ziel ist die Erprobung des Verfahrens für eine breite industrielle Anwendung. Das Projekt bringt die Institute für Verbrennungstechnik und Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart mit dem DLR zusammen.
Ein Vorteil des Ansatzes liegt in der Brennstoffflexibilität. Die Injektoren sind so konzipiert, dass sie mit sehr unterschiedlichen Energieträgern arbeiten können: Wasserstoff, eFuels, Erdgas und flüssige Kohlenwasserstoffe. Für Betreiber von Kraftwerken oder industriellen Energieanlagen, die auf Wasserstoff umstellen wollen, ohne bestehende Infrastruktur sofort ersetzen zu müssen, ist das ein relevanter Aspekt.
Kostenpotenzial durch Integration in bestehende Fertigungsketten
Der wirtschaftliche Ansatz der Stuttgarter Entwicklung liegt in der fertigungstechnischen Integration. Da Brennkammern in modernen Gasturbinen ohnehin häufig additiv gefertigt werden, lassen sich Brennkammer und Injektoren künftig in einem einzigen Druckprozess herstellen. Separate Fertigungsschritte, Montageaufwand und die Herstellung konventioneller Feinbearbeitungsteile entfallen oder reduzieren sich.
Wie groß die tatsächliche Kostenreduktion ausfällt, hängt von Turbinengröße, Stückzahl und konkretem Fertigungsumfeld ab. Belastbare Zahlen für Serienbedingungen liegen noch nicht vor. Das Projekt befindet sich in der Transferphase vom Labor zur Anwendung.
Fazit
Die Stuttgarter Entwicklung schließt eine konkrete Lücke in der additiven Fertigung von Gasturbinen. Injektoren, die bislang den 3D-Druck ausschlossen, lassen sich nun in die bestehenden Fertigungsprozesse integrieren. Für Unternehmen, die Gasturbinen für dezentrale Energieversorgung oder industrielle Kraft-Wärme-Kopplung einsetzen, könnte die Technologie langfristig die Beschaffungskosten senken und den Betrieb mit alternativen Kraftstoffen erleichtern. Bis zur Serienreife sind jedoch weitere Schritte erforderlich. Das Projekt AMFlexInj befindet sich noch in der Erprobungsphase.
