Der Fokus des Projekts AKTIVER (Aktive Strömungsbeeinflussung in Verdichtungskomponenten künftiger Flugantriebe) liegt auf der Erforschung und Auslegung innovativer Konzepte zur Strömungsbeeinflussung in aerodynamisch hoch belasteten Einläufen und Verdichtern künftiger Flugantriebe. Das Hauptziel des Vorhabens besteht dabei in einer potenziellen Baulängenreduktion der Antriebe, bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrads und der Seitenwindresilienz. Um dieses Ziel zu erreichen, wird in den entsprechenden Bauteilen eine Energetisierung der dreidimensionalen Grenzschicht durch Luftausblasung vorgesehen, wobei die benötigte Druckluft durch Rezirkulation über ein statisches Druckgefälle innerhalb der Komponente (Einlauf, Verdichter) zur Verfügung gestellt wird. Der ausgeblasene Luftmassenstrom wird zusätzlich durch einen Aktuator geregelt, wodurch der Einsatz des Systems über verschiedene Missionsabschnitte in optimaler Weise gewährleistet werden kann.

Die Analyse der beiden Triebwerkskomponenten erfolgt in enger Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Turbomaschinen und Flugantriebe (LTF), der die Analyse der Verdichterstufe durchführt, und dem Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik (AER), der für die Analyse des Einlasses zuständig ist. Für die Verdichterstufe liegt der technische Aspekt darin, dass die Verdichterleistung stark von Strömungsablösungen mit 2D- und 3D-Charakter dominiert wird, die an den Schaufeln, insbesondere in den Endwandbereichen der Rotor- und Statorreihen auftreten. Dies bestimmt den Wirkungsgrad des Verdichters, die Grenzen der Stabilität und damit die Gesamtleistung das Triebwerk. Das Projekt ist daher auf das förderpolitische Hauptziel eines umweltfreundlichen Luftverkehrs im Rahmen leiser und effizienter Triebwerke ausgerichtet, da die geplante Effizienzsteigerung in Kombination mit der Möglichkeit der Triebwerksverkleinerung zu Treibstoffeinsparungen und einer Verringerung der Schadstoffemissionen führen wird.

Projektziele

• Entwicklung einer detaillierten numerischen und analytischen Betrachtung des Potenzials des Einsatzes eines aktiven Strömungssteuerungssystems innerhalb der Verdichterkomponenten des Triebwerks zur Verbesserung von Effizienz und Betriebsfähigkeit. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Verwendung eines geeigneten Aktuators als aktives Strömungsregelungssystem.
• Es wird erwartet, dass durch den Einsatz dieser Technologie eine Verbesserung der Verdichterleistung erreicht werden kann, z.B. geringere erforderliche Anzahl von Rotor- und Statorschaufeln, Reduzierung der Verluste und Verbesserung des Betriebsbereichs, höherer Wirkungsgrad pro Stufe und damit mehr Stabilität

Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des sechsten Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo VI-2) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert, das Forschungs- und Technologieprojekte in der zivilen Luftfahrt in Deutschland unterstützt. Fördernummer: 20E2113A

Kurzbeschreibung

Neben elektrischen Flugantrieben oder der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff können alternative Brennstoffe genutzt werden, um eine schnelle Minderung der Klimawirkung des Luftverkehrs zu erzielen. In dem durch Munich Aerospace e.V. finanzierten Projekt soll das Verhalten einer Kleingasturbine bezüglich der Performance, der Triebwerksgesundheit und der entstehenden Emissionen unter der Verwendung von alternativen Brennstoffen untersucht werden. Die folgenden Fragestellungen sollen dabei genauer betrachtet werden:

• Wie ist der kraftstoffspezifische Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Triebwerks?
• Welche Änderungen in der Triebwerksleistung sind im stationären und instationären Betrieb zu sehen?
• Wie wirken sich verschiedene Drop-In Fuels, Sustainable Aviation Fuels oder eFuels auf die Emissionen aus?

Bezüglich der Triebwerksemissionen werden sowohl die Gasphase als auch die Partikelemissionen betrachtet.

Die Versuche finden an dem lehrstuhleigenen Helikoptertriebwerk Allison 250 C20B statt. Dieses Wellenleistungstriebwerk ist sehr kompakt und die einzelnen Komponenten sind gut zugänglich, was Anpassungen und den Betrieb erleichtert. Dadurch ist es möglich neue Messtechnik einfach zu integrieren. Bezüglich des Brennstoffsystems kann schnell zwischen regulärer Jet A-1 Zufuhr und alternativer Brennstoffzufuhr gewechselt werden.

Projektziele

• Aufzeigen der Auswirkungen von alternativen Brennstoffen auf den stationären und instationären Betrieb des Triebwerks
• Untersuchung und Darstellung des Einflusses von alternativen Brennstoffen auf die gasförmigen und vor allem auch partikelförmigen Emissionen
• Ermittlung eines alternativen Brennstoffes, welcher hinsichtlich maximaler Energiefreisetzung und minimalem Schadstoffausstoß optimiert ist

Projektpartner

• Universität der Bundeswehr München
• Munich Aerospace e.V.

Bearbeiter/in

Alexander Rabl, M.Sc.

Fremdkörperschäden (Foreign Object Damage, FOD) treten auf, wenn fremde Partikel während des Fluges in Flugzeugtriebwerke eingesaugt werden. Dies stellt ein dauerhaftes und kritisches Problem dar, da FOD unvermeidlich ist und damit verbundene Konsequenzen mit sich bringt.

Es wurden umfangreiche Forschungen durchgeführt, um FOD-Ereignisse zu verstehen, zu erkennen und zu verhindern. Es ist jedoch noch weitere Forschung erforderlich, um die Robustheit von Schaufeln gegen diese Vorkommnisse durch spezifische Designkriterien zu verbessern. In Zusammenarbeit mit MTU Aero Engines zielt dieses Projekt darauf ab, neue Designkriterien zu entwickeln, die die Robustheit von Schaufeln erhöhen und gleichzeitig die aerodynamische Leistung beibehalten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden multidisziplinäre Optimierungen mit dem Optimierer AutoOpti durchgeführt, der für seine Anwendung in der Turbomaschinen-Technik bekannt ist. Der erste Schritt der Analyse besteht darin, die Schäden an in Betrieb befindlichen Schaufeln zu identifizieren und die am wahrscheinlichsten betroffenen Bereiche zu bestimmen. Diese Bereiche werden im Rahmen der Optimierung untersucht. Das untenstehende Bild gibt einen Überblick über die FODs, die entlang einer in Betrieb befindlichen Schaufel mittels eines Weißlichtscanners erfasst wurden.

Die Festlegung von Richtlinien für die Konstruktion robusterer Schaufeln ist entscheidend, aber die Wiederherstellung der Integrität der Schaufel nach einem Schaden ist ebenso wichtig. Der zweite Teil dieses Projekts untersucht die Auswirkungen von Reparaturblends auf die aerodynamische Leistung und das strukturelle Verhalten der Schaufel. Ein multidisziplinärer Ansatz wird angewendet, um optimale Blendgeometrien zu identifizieren, die die Leistung und Haltbarkeit der Schaufel nach der Reparatur verbessern.

Projektziele

• Identifizierung der am stärksten gefährdeten Bereiche von Triebwerksschaufeln und Entwicklung neuer Designkriterien zur Erhöhung ihrer Robustheit gegenüber Fremdkörperschäden (FOD).
• Untersuchung des Blendprozesses als die effektivste Methode zur Entfernung beschädigter Bereiche und zur Wiederherstellung der ursprünglichen Schaufelgeometrie. Angesichts der erosiven Natur dieser Reparaturtechnik ist es wichtig, ihre Grenzen zu bewerten und die optimalen Blendformen zu analysieren, um die Integrität und Leistung der reparierten Schaufeln sicherzustellen.

Projektpartner

MTU Aero Engines

Bearbeiterin:

Simona Rocchi

Kurzbeschreibung

Das umweltfreundlichere Fliegen spielt zunehmend eine größere Rolle in der Öffentlichkeit und ist Teil der Forschung weltweit. Durch die Flightpath 2050-Ziele existiert ein konkretes Bestreben die Umwelteinflüsse durch die Luftfahrt zu verringern. Die Brennstoffzelle gilt in diesem Kontext als ein aussichtreiches Konzept für die Zukunft.

Im Rahmen der Doktorarbeit wurde das Potential eines Brennstoffzellen-Hybrid-Antriebs für die Luftfahrt untersucht. Dabei wurden multidisziplinär verschiedene Hybridisierungsgrade und Flugmissionen untersucht und bewertet. Ziel war zu identifizieren, für welchen Einsatzbereich und für welche Flugzeugklasse ein Brennstoffzellenantrieb sinnvoll ist.

Projektziele

• Bestimmung des Potenzials eines Brennstoffzellen-(Hybrid)-Antriebs für die Luftfahrt
• Untersuchung der gegenseitigen Einflüsse auf die Auslegung des Brennstoffzellen-(Hybrid)-Antriebs und des Flugzeuges
• Identifizierung des optimalen Einsatzbereiches für einen Brennstoffzellenantrieb in der Luftfahrt

Projektpartner: MTU Aero Engines

Bearbeiter: Jonas Schroeter

Kurzbeschreibung

Die Entwicklung eines Flugtriebwerks ist ein komplexer und interdisziplinärer Prozess. Die Notwendigkeit schneller und präziserer Vorhersagen führt dazu, dass bereits in der Vorentwurfsphase eine Vielzahl von Abhängigkeiten berücksichtigt werden muss. Mithilfe von vereinfachten und verallgemeinerten physikalischen Gesetze kann eine Methode entwickelt werden, welche den gewünschten Detaillierungsgrad in der Auslegung der Vorentwurfsphase erreicht. Die mechanische Auslegung ist ein wichtiger Schritt des Prozesses und liefert ein erstes Komponentendesign-Layout auf der Grundlage von parametrischer Studien. Weitere Disziplinen können die Ergebnisse mit einer Bewertung der strukturellen Festigkeit, einer komponentenbasierten Gewichtsschätzung und einer ersten Bewertung der Lebensdauer der Komponente ergänzen. Der große Vorteil dieser Methoden ist die Flexibilität, sodass neue Konzepte unabhängig von den wissensbasierten Entwürfen leichter entwickelt werden können. Dieses Projekt konzentrierte sich hierbei auf die Axialkompressoren und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten. Im Rahmen dieses Projekts wurde für jede Hauptkomponente des Verdichters (Laufschaufeln, Leitschaufeln, Scheiben, Gehäuse) Methoden zur Parametrisierung der Topologie entwickelt und strukturelle Aspekte wie Spannungen, mechanische und fertigungstechnische Grenzen, Ermüdung bei low und high Zyklen, Kriechen, Scheibenbersten und Eindämmung des Gehäuses entwickelt.

Projektziele

• Entwicklung mutlidisziplinärer mechanischer Konstruktionsmethoden für Axialkompressoren
• Untersuchung der Auswirkung mechanischer Vorentwurfsmethoden während der Vorentwurfsphase

Projektparner: MTU Aero Engines AG

Bearbeiter: Ioannis Zaimis

Kurzbeschreibung

In Zeiten stark schwankender Einspeisung erneuerbaren Stroms in das elektrische Netz wächst der  Bedarf an kurzfristig verfügbarer Regelenergie, weshalb der Einsatz agiler Gasturbinenanlagen an Bedeutung gewinnt. Um eine schnelle Zuschaltung der Anlage zu erreichen, muss diese auf aerodynamischer Teillast gehalten werden, was mit einer Verringerung der Prozesstemperaturen, -drücke und geometrischen Anpassungen korreliert (z.B. Leitschaufelverstellung). Die gegenüber dem Aerodynamic Design Point (ADP) veränderten Bedingungen führen zur Ausprägung sog. „Realgeometrieeffekte“ im Ringkanal (Spalte, Stufen, Kanten, Schaufelfehlstellung). Die qualitative und quantitative Beurteilung dieser Phänomene und ihr Einfluss auf die Anlagenperformance ist Gegenstand aktueller Forschung.

Projektziel

• Identifikation maßgebender aerodynamischer Störmechanismen auf die Performance eines hochbelasteten Axialverdichters
• Sensitivitätsuntersuchung und Potenzialanalyse desensitiverender Maßnahmen für einen robusteren Verdichterentwurf

Projektpartner: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

Bearbeiter: Jannik Petermann

Kurzbeschreibung

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.

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. 

Projektziele

• 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.

Projektpartner: GE

Bearbeiter: Christian Köhler, Christian Schäffer