B. Wurm, C. Clemen, M. Staufer, M. Gerendas, R. Eggels

Im Rahmen seines Engagements für die Dekarbonisierung des Luftfahrtsektors und der globalen UN-Kampagne „Race to Zero“ entwickelt Rolls-Royce aktiv Wasserstoffverbrennungstechnologien für Fluggasturbinen, die zukünftig eine Vielzahl von Flugzeugen antreiben können. Diese innovativen Technologien werden im Rahmen eines Demonstratorprojektes integriert und validiert, welches die Modifikation eines Pearl 15-Triebwerks für Bodentests mit gasförmigem Wasserstoff umfasst. Für diesen Bodentest hat Rolls-Royce eine Wasserstoff-Brennstoffdüse ("Heart") entwickelt und in die bestehende Pearl 15-Brennkammer integriert. Wie in [1-3] dargestellt, ist dieses wasserstofffähige Brennkammersystem in der Lage, CAEP8 NOx-Emissionen auf einem ähnlichen Niveau wie das zertifizierte Pearl 15-Triebwerk mit Kerosin [2, 3] zu liefern, ohne eine signifikante thermoakustische Reaktion über den gesamten Betriebsbereich, wie in [4, 5] gezeigt wurde. Basierend auf dieser Arbeit wurde daraufhin eine spezielle Brennkammer für den Betrieb mit 100 % Wasserstoff entwickelt, wobei CFD zur Optimierung der NOx-Emissionen eingesetzt wurde. Diese wurde entworfen, gefertigt und im Vollringprüfstand in der HBK5-Testanlage am DLR Köln getestet, um diese mit der Leistung einer Pearl 15-Triebwerksbrennkammer zu vergleichen, die zuvor ebenfalls mit 100 % Wasserstoff und der Heart-Brennstoffdüse betrieben wurde. Das Paper beschreibt die Entwicklung und Validierung dieser Brennerkammer bei Rolls-Royce Deutschland im Rahmen des Lufo 6 Programms "WOTAN", das im Oktober 2021 gestartet wurde. Durch den Einsatz von CFD wurde eine Vielzahl von Designoptionen untersucht, wobei Form, Volumen und Mischkonfigurationen variiert wurden. Dies führte zu einer neuartigen Form der Brennkammerwand, für die ein Patent angemeldet wurde und die laut CFD eine NOx-Reduktion von bis zu 30 % gegenüber der Referenz-Pearl-Brennkammer im Wasserstoffbetrieb bietet. Zusätzlich zu diesem neuartigen aerothermalen Design wurde die Brennkammer als einteiliges, 3D-druckbares Bauteil mit fortschrittlicher Kühlung und Mischung ausgelegt. Darüber hinaus präsentiert das Paper die Ergebnisse des Vollringtests, der verbesserte Emissionen im Vergleich zur Referenz zeigt und beweist, dass ein wasserstoffbetriebenes Brennkammersystem so gestaltet werden kann, dass es weniger CAEP8 NOx-Emissionen aufweist als ein weltweit führendes, kerosinbetriebenes Brennkammersystem.

As part of its commitment to the decarbonization of the aviation sector and the global UN "Race to Zero" campaign, Rolls-Royce is actively developing hydrogen combustion technologies for aero-engines, which could power a wide range of aircraft in the future. These innovative technologies are being integrated and validated through a demonstrator project that involves modifying a Pearl 15 engine for ground testing with gaseous hydrogen. For this ground test, Rolls-Royce developed a hydrogen fuel nozzle—referred to as the "Heart"—and integrated it into the existing Pearl 15 combustor. As detailed in [1–3], this hydrogen-capable combustion system is capable of achieving CAEP8 NOx emission levels comparable to those of the certified, kerosene-fueled Pearl 15 engine [2, 3], while exhibiting no significant thermoacoustic response across the entire operating range, as demonstrated in [4, 5]. Building on this work, a dedicated combustor was developed for operation with 100% hydrogen, utilizing computational fluid dynamics (CFD) to optimize NOx emissions. This combustor was designed, manufactured, and tested in a full-annular rig at the DLR Cologne HBK5 test facility, allowing for a performance comparison with a Pearl 15 engine combustor that had previously been operated on 100% hydrogen using the "Heart" fuel nozzle. This paper describes the development and validation of this combustor at Rolls-Royce Deutschland under the Lufo 6 "WOTAN" program, which commenced in October 2021. Through the use of CFD, a wide range of design options were explored, involving variations in shape, volume, and mixing configurations. This led to a novel combustion chamber wall configuration—for which a patent has been filed—that, according to CFD analysis, offers a NOx reduction of up to 30% compared to the reference "Pearl" combustion chamber when operating on hydrogen. In addition to this innovative aerothermal design, the combustion chamber was engineered as a single-piece, 3D-printable component featuring advanced cooling and mixing capabilities. Furthermore, the paper presents the results of full-annulus testing, which demonstrate improved emissions relative to the reference and prove that a hydrogen-fueled combustion chamber system can be designed to produce lower CAEP8 NOx emissions than a world-leading, kerosene-fueled combustion chamber system.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2026, Aachen

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2026

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 6 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2611130701136.047731463589

10.25967/680020

Gasturbine, Wasserstoff

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Wurm, B.; Clemen, C.; et al. (2026): Brennkammer optimiert für NOx-armen Wasserstoffbetrieb. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/680020. urn:nbn:de:101:1-2611130701136.047731463589.

13.11.2026