Optimierte Fluid-Control-Lösungen für Luftfahrt- und Defence-Anwendungen

Lee ist seit mehr als 75 Jahren führender Hersteller leistungsstarker Fluid-Control-Komponenten für die Luft- und Raumfahrt. Seit jeher stehen dabei Performance und Zuverlässigkeit im Fokus. Doch auch wirtschaftliche Gesichtspunkte müssen insbesondere bei Kostentreibern wie dem Kraftstoffverbrauch berücksichtigt werden. Lee entwickelt Lösungen, welche die Effizienz und Gesamtbetriebskosten positiv beeinflussen. Die besten Beispiele dafür sind die Kraftstoffzerstäubungsdüsen und die Pyroventil-Alternativen des innovativen Unternehmens.  

Gleichmäßige Zerstäubung für maximale Effizienz

In Turbinentriebwerken hängt die Verbrennungseffizienz entscheidend davon ab, wie gleichmäßig der Kraftstoff zerstäubt wird. Ein feiner, homogener Sprühnebel verbessert die Vermischung mit der Luft. Inkonsistente Tropfengrößen können dagegen zu ineffizienter und instabiler Verbrennung führen. Zu kleine Tropfen verbrennen unter Umständen bereits nahe der Einspritzstelle, zu große Tropfen verbrennen nicht vollständig. 

Kleine Turbinentriebwerke kommen unter anderem in kompakten Antriebssystemen für unbemannte Luftfahrzeuge und Flugkörper mit großer Reichweite zum Einsatz. Eine effiziente Kraftstoffnutzung wirkt sich unmittelbar auf die Reichweite, Leistung und Betriebskosten aus. Das Zerstäubungsverhalten des Kraftstoffsystems hängt von mehreren Faktoren ab:

• Druck und Durchfluss

• Temperatur

• Düsenanzahl

• Kraftstoffeigenschaften

• innere Geometrie der Düse

Besonders anspruchsvoll sind Systeme mit mehreren Kraftstoffdüsen. Bereits geringe Abweichungen zwischen den Düsen können die Tropfengröße und Kraftstoffverteilung verändern. Die Folgen sind ungleichmäßige Flammentemperaturen und lokale Hotspots. Diese können Verkokungen, Rußablagerungen, Verbrennungsinstabilitäten bis hin zum Erlöschen der Flamme nach sich ziehen. 

Hochleistungsanalyse optimiert Produktentwicklung

Um diese negativen Effekte zu vermeiden, arbeitet die Entwicklungsabteilung von Lee mit optischen Analysemethoden, um die Entstehung und Verteilung des Sprühstrahls in Echtzeit zu untersuchen. Eine Analysesoftware ermittelt aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen unter anderem:

• Tropfengröße und Größenverteilung

• Tropfengeschwindigkeit

• charakteristische Tropfendurchmesser

• räumliche Verteilung des Kraftstoffs

Die Ergebnisse unterstützen die schnelle Optimierung und Verifizierung neuer Düsendesigns. Gleichzeitig ermöglichen sie fundierte Vorhersagen über das Verhalten einer Düse unter realen Betriebsbedingungen. Eine zentrale Kenngröße ist dabei der Sauter Mean Diameter (SMD), der die Messdaten real greifbar macht: Ein niedriger SMD steht für feinere Tropfen und eine größere Oberfläche pro Kraftstoffvolumen. Dadurch verdampft der Kraftstoff schneller, vermischt sich besser mit der Luft und kann effizienter verbrennen. Ein höherer SMD weist auf größere Tropfen hin, die weiter in die Brennkammer eindringen, langsamer verdampfen und die Verbrennungseffizienz reduzieren können. 

Die aufwändig berechneten Messdaten fließen direkt in die Auslegung der inneren Geometrie sowie der Strömungswege der Lee-Zerstäubungsdüsen ein. Diese setzen den Kraftstoff vor dem Austritt in eine Rotationsbewegung. Dabei entsteht ein dünner, rotierender Flüssigkeitsfilm, der in einen kontrollierten Hohlkegel-Sprühstrahl zerfällt. Neben Hohlkegel-Sprühbildern können auch Flachstrahl-Ausführungen zur gleichmäßigen Kraftstoffverteilung realisiert werden. 

Lee-Zerstäubungsdüsen überzeugen durch ihre definierten Sprühwinkel. Der Standard-Sprühwinkel beträgt typischerweise 70°. Kundenspezifische Ausführungen sind bis 100° verfügbar. Enge Toleranzen hinsichtlich der inneren Geometrie der Düse reduzieren Abweichungen zwischen einzelnen Düsen und erhöhen somit die Konsistenz. Kunden profitieren zudem von einer hohen Varianz an Standard-Durchflusswiderständen. Bei Bedarf sind zudem kundenspezifische Varianten realisierbar. 

Die Düsen weisen integrierte Schutzsiebe auf, die den Partikeleintrag verhindern und somit Verstopfung vorbeugen. Die Hochleistungs-Fluid-Control-Komponenten sind für maximale Einsatztemperaturen bis 371 °C sowie 204 °C im Dauerbetrieb ausgelegt. Da die Düsen in Edelstahl gefertigt werden, weisen sie optimale Medienverträglichkeit für in der Luft- und Raumfahrt verwendete Flüssigkeiten auf. Somit lassen sie sich einfach integrieren und optimieren zugleich die Betriebskosten von turbinenbetriebenen Flugzeugen und Raketen. 

Alternativen zu pyrotechnischen Ventilen

Ein weiteres Beispiel dafür, wie innovative Lee-Produktentwicklungen dabei helfen, die Wirtschaftlichkeit anspruchsvoller Anwendungen zu verbessern, findet sich in der Zündung von Antriebs- und Munitionssystemen. Pyrotechnische Ventile werden insbesondere dort eingesetzt, wo eine hochzuverlässige Aktivierung erforderlich ist, etwa zur Freigabe von Treibstoffen oder Druckgasen. Pyroventile sind jedoch Einwegvorrichtungen, die die Zündung einer kleinen Menge Spreng- oder Treibstoffs zur Aktivierung nutzen, was ihre Integration, Qualifizierung und Validierung erschwert. Weiterhin kann die explosive Zündung Schockwellen, lokale Wärmespitzen, elektromagnetische Einflüsse und Partikel erzeugen, die das Fluidsystem negativ beeinflussen. 

Lee bietet mit passiven und aktiven Ventilen konforme, risikoarme Alternativen zu pyrotechnischen Systemen. Passive Ventile sind für die Anforderungen einer Langzeitlagerung und rauer Umgebungsbedingungen ausgelegt und benötigen keine elektrische Energie zur Betätigung, sondern reagieren auf Druck, Temperatur oder Durchfluss. Gängige Beispiele für passive Lösungen sind Berstventile, thermische Überdruckventile, Rückschlagventile und Druckbegrenzungsventile. Ein typisches Anwendungsszenario ist die Abdichtung von Treibstoffsystemen über lange Standzeiten hinweg, bis hin zu mehreren Jahrzehnten. Hier kann ein druckaktiviertes Ventil die Funktion eines Pyroventils übernehmen, indem es erst bei Erreichen eines definierten Systemdrucks öffnet – ohne pyrotechnische Elemente oder elektrische Schnittstellen. 

Aktive (nicht-passive) Ventile bieten eine höhere funktionale Flexibilität und ermöglichen eine präzise Kontrolle von Hochleistungssystemen. Sie bieten eine zuverlässige Steuerung der Gasabgabe. Ihre Vorteile zeigen sich besonders in Luftfahrt- und Verteidigungssystemen, in denen Leistung, Zuverlässigkeit und Präzision von größter Bedeutung sind. Diese Anwendungen erfordern oft Eigenschaften wie absolute Dichtheit, schnelle Reaktionszeiten und geringen Stromverbrauch. Zu den aktiven Lösungen zählen elektromechanische Ventile, Formgedächtnis-Aktuatoren, Magnetventile mit Magnetverriegelung. 

Gleichbleibende Qualität in der Produktion

Optimierte Konstruktionen auf Basis jahrzehntelanger Erfahrung können in anspruchsvollen Luftfahrt- und Defence-Anwendungen einen großen wirtschaftlichen Unterschied machen. Das erfahrene Lee-Ingenieursteam unterstützt Maschinen- und Gerätehersteller dabei, die beste Lösung für ihre Anwendung zu finden. 

Doch nur das Design und die Auslegung reichen nicht, auch die Fertigungsqualität muss einwandfrei sein.  Lee setzt deshalb auf Präzisionsfertigung, bei der die funktionsrelevanten inneren Strukturen reproduzierbar hergestellt werden. Da Bearbeitung, Montage und Prüfung im eigenen Haus erfolgen, lassen sich Qualität und Wiederholgenauigkeit auch über variierende Produktionsmengen hinweg eng kontrollieren. Vor der Auslieferung wird jede Komponente zu 100 % auf ihre Funktion sowie auf definierte Durchfluss- und Leistungswerte geprüft.