Kurzbeschreibung

Das Projekt DRIVER zielt darauf ab, ein neues Auslegungskonzept für hochbelastete Axialverdichter zu erforschen, welches Tandemprofile mit hoher Strömungsumlenkung und Effizienz einsetzt, wobei weitere neue Technologien zur verlustmindernden Beeinflussung der Strömung in den Schaufelrandzonen entwickelt werden sollen.

Die untersuchte Verdichterkonfiguration verspricht einen höheren Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Erhöhung der Arbeitsumsetzung pro Stufe (ψ≈0.73). Darüber hinaus kann das in der Stufenzahl begrenzte Gesamtdruckverhältnis eines Flugtriebwerks weiter erhöht und die Kerntriebwerksgröße zugunsten eines erhöhten Nebenstromverhältnisses weiter reduziert werden. Allein die Verdichter- und Triebwerkssystemvorteile der neuen Technologie können gemäß den FP2020-Zielen zu Verbrauchs- und Emissionseinsparungen (CO2 und NOX) von bis zu 5 % führen. Hinzu kommen Gewichts- und Kostenvorteile.

Das Projekt befasst sich mit dem Aufbau einer numerischen Prozesskette zur systematischen Untersuchung des Auslegungsraums hochbelasteter Stufenkonfigurationen. Dabei wird der gesamte Entwurfsprozess von der 2D-through-flow-Methode bis zur 3D-Geometrieerstellung, Simulation und Optimierung abgebildet. Das Verfahren ermöglicht die Untersuchung und Optimierung konventioneller Rotor- und Statorgeometrien, vor allem aber auch unkonventioneller Geometrien, wie der in der Abbildung 1 gezeigten Hybridrotor- und Tandemstator-Konfiguration. Zur Erzeugung der Hybridgeometrie wird dabei stets ein zuvor entwickeltes Tandem verwendet (siehe Abb. 2). In den Randzonen bilden Einhüllende der vorderen und hinteren Schaufel Einzelblattsegmente, die in diesem wandnahen Bereich die sekundären Strömungsverluste reduzieren sollen.

Für die 3D-Optimierung wird der meta-heuristische Optimierer AutoOpti des DLR verwendet. Die Handhabung der Mehrzielfunktionen (z.B. Gesamtdruckverhältnis und Wirkungsgrad) wird in AutoOpti durch die Definition des Pareto-Rangs ermöglicht, der es erlaubt, die Zielfunktionen unter Berücksichtigung der gesetzten Randbedingungen zu verbessern. Ein Beispiel für eine Pareto-Rang-Definition einer robusten Optimierung ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die numerische Prozesskette wird durch eine experimentelle Untersuchung der entwickelten Beschaufelung und Seitenwandkonzepte in einem Niedergeschwindigkeitsverdichter validiert. Der verwendete 3,5-stufige-Forschungsverdichter setzt die geometrischen Rahmenbedingungen für die aerodynamische Auslegung. An diesem wird bereits eine Beschaufelung bestehend aus Tandemstator und konventionellem Rotor getestet. Diese dient als Referenz für das DRIVER-Projekt. Ein Vergleich des DRIVER und des Refernzaufbaus ist in der Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Vergleich des DRIVER und des Referenzaufbaus

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden maßgeblich zu einem besseren Verständnis der Tandem-/Hybridkonfiguration beitragen und so die Erstellung von Empfehlungen und Richtlinien zur Auslegung von höher belasteten Verdichtern ermöglichen.

Das Forschungsvorhaben wird durch das Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo VI-1) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert.

Projektziele

·       Einführung des Tandemwirkprinzips am Rotor, hin zu einem sogenannten Hybrid-Rotor

·       Beeinflussung der Seitenwandgrenzschichten im Tandem-Stator

·       Stabilisierung der Spitzenspaltleckageströmung am Hybrid-Rotor

Projektpartner