FloCoTec

Grundlegendes

Call Identifier:	H2020-CS2-CFP07-2017-02
Project Nr.:	821435
FloCoTec:	Flow Control Techniques Enabling Increased Pressure Ratios in Aero Engine Core Compressors for Ultra-High Propulsive Efficiency Engine Architectures

Beschreibung

Das kontinuierliche Wachstum des Luftverkehrssektors bringt sowohl Vorteile als auch Herausforderungen für die Luftfahrtindustrie mit sich. Selbst im pessimistischsten Szenario wird erwartet, dass die Zahl der jährlichen Fluggäste bis zum Jahr 2035 auf 5,8 Milliarden steigen wird (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Entwicklung und Prognose der jährlichen Passagierzahlen im Luftverkehr für den Zeitraum 2015 bis 2035 nach Angaben der International Air Transport Association (IATA)

Dies bedeutet eine durchschnittliche Wachstumsrate von 2,5 % pro Jahr und wird die Auswirkungen der Luftfahrt auf die Umwelt weiter verstärken, was zu einer hohen Nachfrage nach umweltfreundlicheren und wirtschaftlicheren Flugzeugtriebwerken führt. Zusammen mit den zukünftigen Standards und Zielen, die sich die Luftfahrtgemeinschaft gesetzt hat, erfordert dies von den Triebwerksherstellern, fortschrittlichere Triebwerkskonzepte zu realisieren. Viele nationale und internationale Institutionen und Programme, wie z. B. das Clean Sky 2 Joint Undertaking der Europäischen Union, unterstützen die Bemühungen der Luftfahrtindustrie, indem sie die Entwicklung neuartiger Gasturbinentechnologien fördern, die eine Minimierung der NOx-, CO2- und Lärmemissionen sowie des Treibstoffverbrauchs eines Flugzeugtriebwerks ermöglichen (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1: Umweltziele von ACARE 2050 und dem Gemeinsamen Unternehmen Clean Sky 2

Um die Umweltauswirkungen zu verringern und die Gesamteffizienz eines Flugzeugtriebwerks zu verbessern, muss der thermische Wirkungsgrad erhöht werden. Das von SAFRAN Aircraft Engines im Rahmen von CS2 untersuchte Konzept des Getriebefans zielt darauf ab, eine Triebwerksarchitektur und einen Bodentest-Demonstrator mit extrem hohem Wirkungsgrad zu entwickeln, bei dem eine Erhöhung des Kerntriebwerksdruckverhältnisses den thermischen Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert. Eine weitere Erhöhung des Druckverhältnisses im Kerntriebwerk führt jedoch zwangsläufig zu einer Verkleinerung der Größe und des Querschnitts des Kerntriebwerks, was neue Herausforderungen für das HPC-Design mit sich bringt, insbesondere für die hinteren Verdichterstufen. Da die Abstände zwischen den Rotorspitzen und den Stator-Dichtungen absolut begrenzt sind, um Reibungen zu vermeiden, führt eine Verringerung der Schaufelhöhe zu größeren relativen Schaufelabständen, die zu verstärkten sekundären Strömungsphänomenen führen, einschließlich stärkerer Wirbel an den Schaufelspitzen (vgl. Abbildung 2), Leckströmungen an der Ummantelung und einem verstärkten Grenzschichtwachstum in den Endwandbereichen.

Abbildung 2: Ergebnisse der numerischen Stufenberechnung; Zunahme der Leckströmung an der Spitze für gedrosselte Fälle, sichtbar durch das Anwachsen der Konturen des niedrigen relativen Gesamtdrucks in Richtung der stromabwärts gelegenen Rotorbereiche

Diese nachteiligen aerodynamischen Effekte beeinträchtigen das Betriebsverhalten (Überziehspanne) und die aerodynamische Leistung (Effizienz). Um die nachteiligen Auswirkungen ausgeprägter Leckströmungen an der Rotorspitze zu überwinden, werden üblicherweise Gehäusebehandlungen (CT) durchgeführt. Es ist zwar bekannt, dass CTs die Strömung im Rotorspitzenbereich verstärken, sie führen jedoch in der Regel zu einer radialen Neuausrichtung der Strömung und schwächen die stromabwärts gerichtete Verdichterströmung in niedrigeren Spannweitenhöhen. Dieses Phänomen wird in den kompakten hinteren Stufen zukünftiger HPCs mit hohem Druckverhältnis und kleinen Schaufelhöhen besonders ausgeprägt sein und erhöht das Risiko eines vorzeitigen Abwürgens des Verdichters aufgrund der schwächeren Strömung im unteren Spannweitenbereich erheblich. Um diesen aerodynamischen Herausforderungen zu begegnen, erforscht General Electric Deutschland (GEDE) im Rahmen des Gemeinsamen Unternehmens CS2 innovative HPC-Technologien einschließlich eines fortschrittlichen 3D-Schaufeldesigns für HPC-Hinterstufen. TUM-LTF möchte einen Beitrag zur Forschung von GEDE leisten durch:

Die Entwicklung von Technologien zur Behandlung der Verdichterströmung, die die Strömung über die gesamte Spannweite verstärken, die Stabilität in einer mehrstufigen Verdichterumgebung verbessern und das Potenzial der CT-Technologie maximieren.
Die Bereitstellung eines Verdichterprüfstandes, der eine Validierung der von GEDE und TUM-LTF entwickelten HPC-Hinterstufentechnologien ermöglicht, einschließlich einer detaillierten Quantifizierung der HPC-Leistung und -Betriebsfähigkeit unter repräsentativen Triebwerksbedingungen.
Die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher instationärer Druck- und Temperaturmessungen, die eine zeitgenaue Entropieabschätzung ermöglichen und somit ein detailliertes Verständnis der Strömungsphysik und der aerodynamischen Verlustmechanismen innerhalb des entwickelten HPC-Hinterstufenkonzepts ermöglichen.

Die langjährige Erfahrung von TUM-LTF in der Entwicklung von Technologien zur Verdichterströmungsbehandlung, insbesondere die Expertise im CT-Design, sowie der einzigartige Hochgeschwindigkeits-Forschungskompressorprüfstand des Instituts und die nachgewiesene HPC-Testerfahrung stellen sicher, dass die Ergebnisse von FloCoTec GEDE helfen werden, ein innovatives HPC-Hinterstufenkonzept für die nächste Generation von Verdichtern mit hohem Druckverhältnis in zukünftigen UHPE-ähnlichen Flugzeugtriebwerken zu entwickeln.

Update: Das Projekt wurde erfolgreich im März 2022 beendet und ein Teil der Forschungsergebnisse finden Sie zusammengefasst hier.

FloCoTec Forschungs-Team:

Christian Köhler, M.Sc.: Wissenschaftlicher Angestellter für numerischer Arbeitsumfänge in FloCoTec
Christian Schäffer, M.Sc.: Wissenschaftlicher Angestellter für experimentelle Arbeitsumfänge in FloCoTec